瑞典皇家科学院表示，2007年诺贝尔物理学奖奖励的是从电脑硬盘读取数据的技术根源。法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔1988年发现的巨磁电阻效应，大大提高了器件性能，使我们的计算机硬盘体积越来越小，而容量越来越大。

　　然而，这项发现的伟大之处还不仅如此。

　　《科学时报》记者就此采访了该领域4位学者。其中中国科学院物理研究所研究员朱涛表示：“费尔和格林贝格尔种下了一粒种子，随着20世纪90年代应用的突破，这粒种子长成了一棵小苗——自旋电子学，这是一个成长很快、前景广阔的磁学分支。”

　　硬盘越来越小容量越来越大

　　一般磁性金属或合金在磁场作用下电阻都会改变，即产生磁电阻效应，但电阻改变的幅度很小，通常在1％～2％之间。该效应早在1857年就由英国的开尔文爵士发现。“磁电阻效应可被用于制造计算机磁盘的读出头和磁场传感器。然而，该效应发现150年以来，基于磁电阻效应的磁性传感器的性能一直较低。”中国科学院研究生院教授苏刚表示。

　　1986年，格林贝格尔首先在铁铬铁三层膜中观察到反铁磁间耦合。朱涛介绍，很多人认为这个发现更为关键，也为巨磁电阻效应的发现奠定了基础。

　　1988年，格林贝格尔测出铁铬铁三层膜样品的电阻变化率在10%左右。而费尔在研究中用分子束外延生长的厚度达60层的铁/铬磁性多层膜，意外发现电阻的变化率高达50％。随后费尔将这种现象命名为“巨磁电阻效应”，由磁性和非磁性金属层交替堆积而成的多层膜就是巨磁电阻材料。

　　“历经20年，费尔当时对巨磁电阻所作的解释直到现在仍在被人们使用。”朱涛表示，“不管是10%还是50%都是原理性的突破。因为磁盘容量增大，就要求信息存储空间减小，但是越小越不容易探测到信息，因此要求提高读出头性能。”

　　美国佐治亚理工学院教授王中林接受《科学时报》采访时表示：“这项发现对人类文明有巨大贡献，从此人们可以在很小的单元上高密度存储信息，更重要的是数据可以快速存储、阅读。”

　　有意思的是，费尔的论文1988年8月被编辑部接收，同年发表；格林贝格尔虽然在1988年5月投稿，但文章发表于1989年。

　　苏刚特别指出：“在费尔和格林贝格尔的工作发表之前，至少有4个研究小组在不同系统中也观察到了较大的磁电阻变化现象，但是没有一个小组指出这是全新的物理现象，因此与诺贝尔奖擦肩而过。”

　　创造百亿产业价值

　　1994年，IBM的工程师研制出基于巨磁电阻效应的读出头。如今，计算机、MP3等几乎所有电子产品的硬盘都使用了该项技术。而在此之前，格林贝格尔早已为它申请了专利，这也为于利希研究中心带来了不菲的回报。

　　1999年，克林顿在给美国国会的报告《21世纪的科学与技术》中列举的第一项是纳米科技，而纳米科技的第一项即多层膜，并估计未来将产生350亿美元的产值。

　　从科学发现到实际应用，巨磁电阻效应只用了3年时间。王中林说：“这也创造了一项纪录。主要是由于笔记本电脑的巨大市场需求给这项技术的发展注入了新鲜血液。”

　　“这本来是一个非常基础的研究，但没过几年就具有了几百亿的产业价值。”朱涛说。

　　2005年9月到2006年8月，朱涛作为洪堡学者在德国于利希研究中心格林贝格尔研究组工作了一年，格林贝格尔还成为朱涛的房东。“当时房子很难找，格林贝格尔就主动把他另外一套空房租给了我。”朱涛说。

　　朱涛认识格林贝格尔是在2001年8月，当时格林贝格尔来中国参加中科院物理所举办的巨磁电阻效应研讨会，这也是他最近一次访问中国。作为爱喝啤酒的德国人，格林贝格尔至今还记得中国的的青岛啤酒。不过，这位今年的诺奖得主目前的生活很简单。朱涛说：“他现在出国一般就是去拿奖，每年度假也都在德国境内，而且只去一个星期左右，不像很多人都是两三个星期。”

　　1988年之后，费尔和格林贝格尔的研究组仍然在做巨磁电阻方面的工作。苏刚表示：“他们俩的论文非常短，一个3页，一个3页半。但是他们的工作导致了广泛的应用，并催生了新的学科——自旋电子学。”

　　第一次揭示了自旋的重要

　　“这个发现给很多人找到了饭碗。”苏刚笑称。

　　1897年汤姆森发现电子之后，人们只知道电子具有电性。24年之后，施特恩和盖拉斯发现电子还有磁性，命名为“自旋”。

　　中国科技大学张裕恒院士介绍：“经过多年发展，小到手表，大到宇宙，电子的电性有了充分利用。但是磁性一直沉睡着。1988年发现巨磁电阻效应，其科学意义在于第一次揭示了电子的另外一个行为——自旋的作用。”

　　朱涛表示：“二次大战以来，世界文明的发展都和电子学有关系，但人们从不关心电子的磁性。由于巨磁电阻的发现和应用，以前分开的电子学和磁学正在相互融合，这就是自旋电子学。”

　　王中林说：“这个发现的重要性在于利用了电子自旋来调控电子传导，这是一个在室温下用量子效应制作器件的绝佳例子。”

　　现代器件越来越小，极限在哪里？苏刚对《科学时报》说：“现在的超大规模集成电路在1平方厘米的面积上可以集成107～108个电子元件，目前公认的器件最小尺度是20纳米。一旦小于这个尺寸，传统的工作原理如欧姆定理等就失效，而量子效应则开始起作用。量子效应是几率性、不可预测的，这导致器件工作不稳定。要想突破这个尺寸，就必须利用电子的自旋，把自旋作为信息储存、处理、输运的主体。”

　　传统的硅基芯片只利用了电子的一个自由度——电荷，而没有用到自旋。苏刚举例说，如果有N个电子，自旋存储就有2N个状态可以利用，因此自旋可以利用起来存储海量信息，也可以用到量子计算等技术中。

　　在费尔和格林贝格尔之后，人们又发现了其他有关的物理现象。如在陶瓷氧化物——镧钙锰氧中发现了高达125000%的磁阻效应，称为庞磁电阻效应。用张裕恒的话说，“这个发现吓了全世界一大跳”，其导电机制目前还在研究中。而隧穿磁电阻效应具有信息不易挥发、密度高、信号容量大的特点，有人预计会超越巨磁电阻技术。
诺贝尔奖委员会还表示，巨磁电阻效应的使用可看作纳米技术的首批重要应用。王中林认为：“巨磁电阻效应材料就是两维的纳米材料。今年的诺贝尔物理学奖是对纳米科技的承认，也是纳米科技和量子效应影响我们每个人日常生活的最好例子。”

　　苏刚说：“诺奖为什么给他们？因为他们的发现推动了学科的发展，并且曙光还在前面。”

注：朱涛，中国科学院物理研究所研究员

　　苏刚，中国科学院研究生院教授

　　王中林，美国佐治亚理工学院教授

　　张裕恒，中国科技大学院士