诺贝尔奖调查

1、诺贝尔物理学奖获奖情况调查记07年诺贝奖物理学奖、什么是“巨磁电阻”效应1988年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就 能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中 发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把 这种效应命名为巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistive， GMR)。有趣的是，就在此前3个月，德国优利希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具 有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之

2、无外磁场作用时存在巨大变 化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和 非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁 磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外 磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。一块密封的计算机硬盘内部包含若干个磁盘片， 磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又被 划分为若干个扇区。最早的

3、磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁感应的方式读写数据。然而， 随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，这类磁头难以满足实际需求。因为使用这种 磁头，磁致电阻的变化仅为1%2%之间，读取数据要求一定的强度的磁场，且磁道密度 不能太大，因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平方英寸20兆位。硬盘体积不断 变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区 域所记录的磁信号也就越来越弱。二、2007年诺贝尔物理学奖2007年诺贝尔物理学奖瑞典皇家科学院2007年10月9日宣布，法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得格 林贝格尔共同获得2007年诺贝尔物理学奖

4、。他们将分享1000万瑞典克朗(1美元约合7瑞 典克朗)的奖金。这两名科学家获奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻”效应。所谓“巨磁电阻”效应， 是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这 一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，2007年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读 取硬盘数据的技术”。这项技术被认为是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”。 重要贡献：开启硬盘的“三明治”革命。美国国际商用机器公司将这项基础研究成果用于硬 盘开发中，于1997年生产出第一个应用“巨磁电阻”技术的硬盘。诺贝尔奖外趣闻实际

5、上，在英国著名科学家开尔芬勋爵1857年第一次发现磁阻效应起，此后的100 多年里人们还未在实验室观察到如此显著的磁阻效应。如果不是一次偶然，巨磁电阻”效应 也许会被埋没更久。几年后的一天，国际商用机器公司（IBM）阿尔马登研究中心的一位研 究员斯图尔特帕金在浏览旧报纸时看到了他们的成果，公司总部十分重视，立即组成了两 个研究小组着手研究。研究人员共进行了 3万多次试验，对数万种不同的磁介质及其他金属 材料进行了一一组合，终于研制出了一种特殊的膜结构。这种膜结构分4层，前3层是两层磁介质夹一层非磁性材料膜的“三明治”结构，第4 层则是一层由强反铁磁体组成的膜材料。当外界施加一个很弱的磁场时，第

6、一层膜即自由层 的磁排列会发生有规律的震荡，在平行排列和反平行排列间轮流变化，引起整个结构电阻的 显著变化。在物理学上这种结构被称作“自旋阀（SV）”。1994年IBM研制出了一种全新的16.8G硬盘存储器，将磁盘记录密度一下子提高了 17 倍，达到了 5G比特/平方英寸（1平方英寸约合6.45平方厘米）。说到这里，应为这次诺贝尔物理奖遗漏了斯图尔特帕金博士而不平。瑞典皇家科学院 评价这次物理奖时说，基于“巨磁电阻”效应开发的“用于读取硬盘数据的技术”，被认为 是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”。然而他们只重视了 GMR的发现，而忽视了把它转化为应用技术的意义。没有后者，这 个全球

7、电子化进程中的重要一坏能够成功吗?因此，如果能让这三位科学家分享今年的诺贝 尔物理奖，那就更公平、更和谐了。三、硬盘的介质存储原理超顺磁效应盘体由多张盘片组成，而盘片是在铝制合金或者玻璃基层的超平滑表面上依次涂敷薄磁 涂层、保护涂层和表面润滑剂等形成的。盘片以4200RPM15000RPM的转速转动，磁头则 做往复的直线运动，而可以在盘片上的任何位置读取或者写入信息。微观的来看，盘片上的薄磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成。多个磁 颗粒（约100个左右）组成一个记录单元来记录1bit的信息一一0或者1。这些微小的磁颗 粒极性可以被磁头快速的改变，而且一旦改变之后可以较为稳定的保持，

8、磁记录单元间的磁 通量或者磁阻的变化来分别代表二进制中的0或者1。磁颗粒的单轴异向性和体积会明显的磁颗粒的热稳定性，而热稳定性的高低则决定了磁 颗粒状态的稳定性，也就是决定了所储存数据的正确性和稳定性。但是，磁颗粒的单轴异向性和体积也不能一味地提高，它们受限于磁头能提供的写入场 以及介质信噪比的限制。当磁颗粒的体积太小的时候，能影响其磁滞的因素就不仅仅是外部 磁场了，些许的热量就会影响磁颗粒的磁滞（譬如室温下的热能），从而导致磁记录设备上 的数据丢失，这种现象就是超顺磁效应”。如图一所示。记装M 由很窖梨小竹醴粒所样曲.比特ttl被写入这些战比抻大购藏要个础和图一：超顺磁效应垂直磁化存储技术的

9、奥秘垂直磁化记录从微观上看，磁记录单元的排列方式有了变化，从原来的“首尾相接的水 平排列，变为了 “肩并肩”的垂直排列。磁头的构造也有了改进，并且增加了软磁底层。这 一改变直接解决了 “超顺磁效应”。垂直记录的另一个好处是相邻的磁单元磁路方向平行，磁极的两端都挨在一起，而纵向 记录相邻的磁单元只在磁极一端相接（如图二所示），因此这项技术对于稳定性的改进也是 颇有成效的。创U谏毗元伴创U谏毗元伴g以元件褂平滑技而，促泌尽正弭问滑剂-妆导彳人元祥H注谀计我嫉栈伺与凡&固隹F耳氏踞支世的凌证坂而 句浪-肆期迷出元件,四博殁祓够皿药廖界或 若我理稀醇器度计,也枇本一个蒲航壬鹿辂,停村款盅甲.辱盲一个内

10、TiS号嫌去 D禺靳晞姓M农面之间偲斯IK近的做度时于商令排卑点录其亦直豪遍凡悄私云弃伸在轻号的同说涂层中与人酬股莞慑中诵F5胡宜于低盆藏面图二：垂直磁化存储3.硬盘的容量知识硬盘的容量由盘面数(磁头数)、柱面数和扇区数决定，其计算公式为：硬盘容量=盘面数X柱面数X扇区数X512字节关于硬盘容量的大小，经常有人感到迷惑，为什么同一块硬盘，有时显示40GB,有时 却只有37GB，这主要是表示方法不标准造成的，如1MB到底代表1 000 000字节还是代表 1 048 576字节。有些软件把1 000 000字节作为1MB，如DM等，硬盘上标称容量一般也按 1MB = 1000000字节计算；而在

11、另一些软件中，1MB是1 048 576字节，如Fdisk等。一些书 籍或报刊杂志上发表的论文，硬盘容量的单位也不统一，有以1 000 000字节为1MB的，也 有把1 048 576字节作为1MB的。四、大硬盘中的应用1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了 17倍。 1995年，宣布制成每平方英寸3GB硬盘面密度所用的读出头，创下了世界记录。硬盘的容 量从4GB提升到了 600GB或更高。目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密度提高到560 亿位/平方英寸，该类型磁头已占领磁头市场的90%95%。随着低电阻高信号的TMR的

12、获 得，存储密度达到了 1000亿位/平方英寸。2007年9月13日，全球最大的硬盘厂商希捷科技(Seagate Technology)在宣布，其第 四代DB35系列硬盘，已达到1TB (1000GB)容量。除读出磁头外，巨磁阻效应同样可应用于测量位移、角度等传感器中，可广泛地应用于 数控机床、汽车导航、非接触开关和旋转编码器中，与光电等传感器相比，具有功耗小、可 靠性高、体积小、能工作于恶劣的工作条件等优点。目前，我国国内也已具备了巨磁阻基础 研究和器件研制的良好基础。五、研究历史与热点早在1856年英国著名物理学家、汤姆逊发现了磁致电阻现象1857年Thomson经研究 又发现了铁磁多晶体

13、中各向异性磁电阻效应，这是由磁电阻研究向巨磁电阻研究的一个重大 的转变“但由于当时的理论知识和技术的限制磁电阻现象一直未得到重视。直到1971年Huont提出利用磁电阻制作磁盘系统,1985年美国IBM公司在技术上实现 这一构想,1991年日本的日立公司成功制作出这一产品。这些成果才开始引起人们的注目, 尤其是在1988年,法国的Fe在FePCr多层膜中第一次发现多层膜巨磁电阻效应（缩写为GMR） 巨磁电阻效应就是磁有序材料在一定结构和外磁场作用下，其电阻会随外磁场的改变而发生 巨大的变化。这一发现不仅让世人终于认识到巨磁电阻效应，而且更重要的是大大激发了人们研究巨 磁电阻效应的热情，人们纷纷

14、从理论和实验的层面对多层膜的巨磁电阻进行研究研究队伍不 断扩大，研究成果日渐丰厚,1995年美国物理学会将GMR效应列为当年凝聚态物理中五个热 点的首位。（1）纳米颗粒膜巨磁电阻效应纳米颗粒膜是纳米材料中的一种，它是指纳米尺寸的颗粒镶嵌于薄膜中所构成的复合材 料体系,如Fe、Co、Ni、NiFe镶嵌于Ag、Cu薄膜中而构成，颗粒和基质元素在制备及应用条 件下互不相溶，形成一种非均匀相，处于相分离状态。（2）隧道结巨磁电阻效应（TMR）在两层金属薄膜之间夹一层10-40nm厚的绝缘薄膜就构成一个隧道结FMPIPFM在两层 金属薄膜之间加上偏压就有电子隧穿通过绝缘层势垒形成隧穿电流。（3）金属多层

15、膜巨磁电阻效应金属多层膜是由磁性金属膜与非磁性金属膜交叠而成的周期性膜,金属多层膜的类型有 人工超晶格、多层膜、三明治膜、自旋阀型膜等,现在制备多层膜用的物理方法主要有两种:（1） 蒸镀法（直接加热蒸镀、电子枪加热蒸镀、分子束外延等）；（2）溅射法（高频溅射、离子束溅射、 磁控溅射等。（4）氧化物薄膜巨磁电阻效应氧化物薄膜巨磁电阻效应的着眼点是ABO3型钙钛矿结构的掺杂稀土锰氧化物,主要研 究的内容是氧化物不同位置的掺杂特性,以研究不同物质的掺入对氧化物薄膜的巨磁电阻效 应的影响;制造包含锰氧化物的多层膜以研究对锰氧化物的巨磁电阻的影响。六、量子化磁盘量子化磁盘QMD的基本概念是在非磁性盘基中

16、独立地埋入若干单畴磁性元件，每个元 件都有精确规定的形状和预先指定的位置。最重要的是，这些元件有强的磁化。这种磁化和 MRAM 一样，是不加外磁场的磁化，并且只有两个稳定的状态：数量相等而方向相反的状 态。每个单畴元件的磁化方向代表1个二进制信息位“0，或者“1 99。根据磁化方向，QMD可以有两种模式：垂直磁化QMD和横向磁化QMD。前者用磁柱， 后者用磁条带。这些磁性柱子或条带，采用x射线或电子束平版印刷，辅以反应离子刻蚀而 成。最近，还开发出1种高效低成本的nanoimprit lithography印刷术。开关（转换）磁化方向 需要的磁场，通过精心设计的元件尺寸和形状来控制。和传统的H

17、DD比较，QMD有如下几个优点：每位的磁化会自行量子化;量化写入过程， 可以消除对写入头高精度定位的要求；细小而平滑的分立转变层，允许高密度数据堆积，存 储密度在100Gbpi以上，而开关噪声可接近零；有内置的读/写位置精密跟踪机构；克服了 现有磁存储器存在的超顺磁性极限的一大缺点。nanoimprit lithography印刷术的开发成功， 为QMD的商品化开辟了光明的前景。背景材料1.获奖感言2007年10月9日阿尔贝费尔在接受电话采访时说：“我受宠若惊，非常感动，我为能 够与彼得格林贝格尔共享这一奖项而兴奋不已。我们总是很好地交换我们的研究结果。”彼得格林贝格尔在接受瑞典电台采访时说：

18、“有人告诉我，如果有从斯德哥尔摩来的电话，那只能是诺贝尔奖（通知）。”他说，“正有一大群人站在我门外”，他打算跟他们“来 杯香槟”。图三：阿尔贝费尔（左）和彼得格林贝格尔（右）阿尔贝费尔的简历阿尔贝费尔1938年3月7日出生于法国的卡尔卡松，已婚并有两个孩子。1962年， 费尔在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。1970年，费尔从巴黎第十一大学获物理 学博士学位。阿尔贝费尔目前为巴黎第十一大学物理学教授。费尔从1970年到1995年一直在巴黎 第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。1995年至今则担任国家科学研究中 心-Thales集团联合物理小组科学主管。1988年，费尔发现巨磁电阻效应，同时他对自旋电 子学作出过许多贡献。费尔在获得诺贝尔奖之前已经取得多种奖项，包括1994年获美国物理学会颁发的新材 料国际奖，1997年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国家科学研 究中心金奖。彼得格