物理与工程 Vo l.18 No.1 2008 1 特约稿件
2007年度诺贝尔物理奖简介
都有为*
(南京大学物理系，江苏省纳米技术重点实验室，江苏南京 210093)
(收稿日期:2007 12 13)
瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会2007年10月9日宣布，法国科学家阿尔贝 费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得 格林贝格尔(Peter Gr nberg)因发现 巨磁电阻 (Giant Magnetoresistance)(GMR)效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖.图1为二位科学家的肖像. 图1 2007年度诺贝尔物理奖获得者，法国Albert Fert 教授与德国Peter Gr nberg之肖像
瑞典皇家科学院评价说，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 .磁电阻效应，即磁致电阻的变化，是指材料的电阻值随磁场变化的现象.原则上考虑，运动的载流子在磁场中将会受到罗仑兹力的作用，从而改变运动的轨迹，导致材料电阻的变化，通常称为正常磁电阻效应(OMR)，其值为正，电阻值随磁场呈抛物线型增长，这是十分普遍的
现象.但除铋、石墨以及一些半导体外对大多数材料其值甚低，在10Oe磁场下电阻变化率仅为10-8%，通常不予考虑.1857年英国物理学家开尔文勋爵(T. Thom son)首次发现，铁、钴、镍，及其磁性合金材料的电阻与磁场和电流的相对方向相关，其值较大，被称为各向异性磁电阻效应(AM R)，产生该磁电阻效应源于自旋-轨道的耦合，例如NiFe、NiCo合金的最大AM R可高达5%(RT)，低场灵敏度可达0.3%/Oe.1990年用于硬盘读出磁头，存储密度可达2~3Gb/in2，现已被GM R磁头所取代，但在磁传感器中依然有一定应用. 1988年，费尔和格林贝格尔各自独立在(Fe/ Cr)夹层膜与多层膜中发现非常显著的电阻变化.相对于上述的磁电阻效应大一个数量级以上，这一效应被称为 巨磁电阻 效应，此外，其物理机制也不同于上述的二类磁电阻效应，而源于电子自旋在磁性薄膜界面与自旋相关的散射作用，根据这一效应开发的小型大容量硬盘已得到广泛应用.一台1954年的体积占满整间屋子的电脑其容量还不如一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘.目前所有的微机中磁盘的读出磁头均已采用GM R效应磁头，存储密度目前已达150Gb/in2, 50
多年来磁记录密度增加107倍，其产值已达350亿美元.鉴于其巨大的经济效益与社会影响，以及发展磁电子学新学科的奠基作用，他二人获诺贝尔物理奖是众望所归. 图2 (F e/Cr)n多层膜的巨磁电阻效应
1988年费尔教授的科研组报道了在(Fe/Cr)多层膜中发现巨磁电阻效应之后[1]，引起了科学
*编者按 都有为教授为中国科学院院士.
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界广泛的兴趣与重视，迅速地发展成为一门新兴的学科 磁电子学.格林贝格尔教授研究了两铁磁层间的耦合作用，也独立发现了磁电阻效应，富有商业头脑的他同时申报了专利，后来美国购买了他的专利，在20世纪90年代迅速实用化，形成高科技产业，而全球最大的读出磁头生产基地却在中国深圳.
磁电子学与传统的电子学或微电子学的主要区别在于传统的电子学是用电场控制载流子电荷的运动，而磁电子学是用磁场控制载流子自旋的运动.巨磁电阻效应的发现为人们获得与控制极化自旋流开拓了现实的可能性.多层膜巨磁电阻效应是源于载流子在输运过程中与自旋相关的散射作用.继多层膜磁电阻效应后，颗粒膜磁电阻效应，隧道磁电阻效应(TM R T unneling Mag netoresistance)，以及锰钙钛矿化合物的庞磁电阻效应(CMR Co lossal Mag netoresistance)相继被发现或取得重大的进展，磁电阻效应发展的历程如表1所示.
表1 磁电阻效应发展简史
Y ear M R M ateria ls Reference 1856A M R N i,Fe,M ag netic metals Lo rd Kelvin
1936A M R Per malloy(N iF e Allo y)
4%.<1O e(RT)
L.M.M o K eehan
1955
L M R
(CM R)
L a Ca M n
O Per ovskite
<RT,Bulk
1975T M R Fe/Ge/Co,14%.4.2K Jullier e
1988GM R(F e/CR)n80%.4.2K20T A F ert
(P.Gr unberg)
1992GM R Gr anular films,Cu/Co,Co/A g A.E.Ber kow itz;
C.L.Chien
1994CM R Per ov skites T hin F ilm
(L aBa)M nO3,60%,6T,RT
(L aCa)M nO3,127000%,6T,77K
R.V on.H elmolt
S.Jin
1995T M R Fe/A l2O3/Fe,18%R T
CoF e/A l2O3/Co.11.8%RT
T.M iyazaki
J.S.M oo der a
1999T M R CoF e/A l2O3/Co Fe,42%RT S.S.P arkin 2003T M R Fe/M gO/F e,~100(80K);67%RT J.Faure V incent
表中，以MgO为绝缘层的TMR效应取得突破
性的进展，用它制备的磁传感器性能已显著地超过
GMR效应器件，已在读出磁头等领域进入商业化
阶段，隧道磁电阻效应是由(铁磁薄膜/绝缘薄膜/
铁磁薄膜)所构成的夹层膜纳米结构，电子通过与
自旋相关的隧道效应输运所产生的磁电阻效应.
细心的读者会发现，图2的巨磁电阻效应，虽
然磁电阻效应很大，但所需的饱和磁场也很高，甚
至高达20kOe，显然其磁场灵敏度很低，约10-3量级，远低于坡莫合金的各向异性磁电阻效应，因此是没有应用价值的.1991年达尼(Dieny)等人[2]提出了自旋阀的结构，见图3.图3 自旋阀的示意图。基片上先生长一层低矫顽力的软磁薄膜，其上再生长一层非磁性材料薄膜，再在其上
生长一层铁磁薄膜，覆盖其上的为反铁磁性钉扎层
他们巧妙地利用反铁磁层将其邻近的铁磁层磁化方向钉扎住，然后只需用低磁场控制低矫顽力、无钉扎、自由铁磁层的磁化方向，就可以在低磁场下实现大磁电阻效应.形象地描叙，自旋阀类似于水阀，当上下二铁磁层磁化方向相反时，电流难以通过，相当于关上自来水龙头，当自由铁磁层的磁化方向在低磁场下转向与钉扎铁磁层磁化方向一致时，极化自旋电流就很容易通过，好像自来水龙头阀门打开的情况，这种控制自旋电流的纳米结构就好像控制自旋电流的阀门，称为自旋阀.自旋阀多层膜结构使产生巨磁电阻效应的饱和磁场大为降低，从而开拓了磁电阻器件的新纪元.高密度的磁记录读出磁头、磁随机存储器、磁传感器、自旋晶体管等相继问世，并已取得显著的经济效益与巨大的社会影响.
20世纪人类最伟大的成就是微电子工业的崛起，但从物理的观点看来它仅仅是利用了电子具有电荷这一特性，众所周知，电子不仅具有电荷同时又具有自旋，以往这2个自由度分别在电子学与磁学这2个领域中各显身手，而在磁电子学中这2个自由度同时在固体中被用上了，从物理的角度考虑，增加一个自由度意味着可以增添无数新颖的应用，极化自旋与电子电荷在固体内部受控的运动，导致磁与电在固体内部有机结合的新器件的诞生.为了在微电子器件中实现磁控的目的，必须将极化自旋注入到半导体中，近年来在这方面从材料到结构进行了多方面的探索工作，取得了一定的进展，这是从磁电子学向半导体自旋电子学发展的重要趋势，尽管离开实用还相当远，但其应用前景十分诱人，已成为国际研究的热点.自旋电子学应当包括磁电子学与半导体自旋电子学两个方面，自旋电子学中所涉及到产生自旋极化的纳米结构材料是一类新型的功能材料，这是自旋电子学重要的材料基础，从能带的观点看来，产生材料铁磁性的能带结构必须在费米面相应于二反向自旋具有非平衡的电子态密度，例如3d过渡族元素:Fe、Ni、Co等金属与合金，此外如H eusler合金，其通用式为X2YZ，其中X、Y为3d过渡族元素,Z为 、 以及 族元素,H alf H eusler合金XYZ.其他如锰钙钛矿磁性化合物, Cr O2、Fe3O4、EuO等磁性化合物等属于半金属材料，其能带结构中仅一半能带的电子参于输运，从理论上考虑应当是理想的自旋极化的材料.为了有效地将极化自旋注入到半导体中，近年来稀释磁性半导体材料颇受青睐，已在宽禁带的半导体氧化物，如T iO2、ZnO中掺入M n、Fe、Co等3d过渡族元素发现了铁磁性，在常规半导体材料，如GaAs、InAs、Ge、Si中掺入M n同样发现了铁磁性，并用光发射二极管论证了稀磁半导体(Zn0.91 Be0.06M n0.03Se)可以高效率地将极化自旋注入到GaAs半导体中.
磁电子器件所用的磁性材料如3d过渡金属与合金，氧化物磁性材料等，均是人们所热知的、常规的材料，为什么以前没有发现与自旋相关的巨磁电阻效应呢?原因是以往人们研究的材料均是宏观的尺寸，其尺度远大于电子自旋扩散长度, (相应于电子在输运过程中自旋反向的行程)，统计平均的结果将不呈现自旋极化的效应，对于金属磁性材料，其电子自旋扩散长度大约在100nm左右，因此巨磁电阻效应只能在纳米结构的材料中呈现.材料人工纳米结构化，犹如点石成金，将普通的材料演变为具有特殊性能的新型功能材料.
20世纪最伟大的成就是微电子工业的崛起，迄今为止，不论集成电路或超大规模集成电路中的半导体元器件，甚至单电子器件，仅仅利用了电子具有电荷这一自由度，用电场控制载流子的运动，从而获得特定的功能.磁性与电性是通过外部的连接而耦合在一起的.长期以来人们梦寐以求磁性与半导体性能在固体内部进行耦合，巨磁电阻效应的发现，意味着在固体内部可以存在磁与电的耦合，无疑地为进一步研究磁性半导体注入了一剂强心针，在新形势下科学家换了新的思维，假如在半导体中进行输运的载流子不是自旋无规取向的电子，而是自旋极化的电子，那么可以同时利用电子具有电荷又具有自旋这2个自由度，不仅可以利用电场，而且可以利用磁场来控制载流子输运，自旋自由度的添加，将会产生难以估量的新型电子学器件的诞生.此外，电子在金属中的平均自由程约为10nm量级，但在半导体中电子的平均自由程可增加到10 m量级，十分有利于构建半导体自旋电子学器件，因此如何将极化电子注入到常规半导体中，就成为解决问题的焦点，现在，采用多层膜、隧道结的方法已可轻易
地产生自旋极化电子流，当然首选的是将金属中的极化电子引入到半导体中，实验的结果并不理想，由于金
(下转第5页)
贝尔奖，都引起了科学界的不平.诺贝尔奖得主Rabi、杨振宁、李政道、Steinber ger、Ramsey、Seaborg、Rainw ater等，都认为吴健雄是毫无疑问应获得诺贝尔奖的.1975年当Rainw ater获知自己得诺贝尔奖后说，他犹如遭到雷击般的意外，他打电话给吴健雄，要她代替自己去领奖，认为她远比自己更有资格得奖.Brookheaven国家实验室主任Samois说，他一直以为吴健雄已经得到了诺贝尔奖.Steinber ger以为，不给吴健雄奖是瑞典诺贝尔委员会的最大败笔.吴健雄未得诺贝尔奖倒不是因为性别歧视.究竟是什么原因，今年是1957年后的50年，随着瑞典诺贝尔委员会档案的解密，应该见分晓了.
吴健雄先生未获得诺贝尔奖，人们说她却获得了诺贝尔奖以外所有的高荣誉奖项.特别是有一位以列工业家捐款设立的W olf奖.Wo lf奖当时设立的一个目的，是奖励应得诺贝尔奖而未得的杰出科学家.吴健雄是第一届Wolf物理奖的得主.可以说此事的意义是直指诺贝尔奖对她的轻慢.
榜样的力量是无穷的. 20世纪法国女物理学家的比例比其他国家明显地高，居里夫人的影响是很大的.吴健雄先生的榜样对中国青少年，特别是女孩子献身物理或其他科学的鼓舞必将是很大的.太仓是吴健
雄先生的故乡，是教育青少年向吴健雄先生学习的基地，已经和即将发挥更大的作用.
(上接第3页)
属与半导体的电阻率相差近6个量级，阻抗不匹配，自旋极化电子难以注入到半导体中，其效率仅为1%左右，如采用自旋极化率为100%的半金属材料作为自旋注入源，理论上是十分有效的，但目前尚未实现，另一个方法是研制具有自旋极化的磁性半导体，即所谓稀磁半导体(Dilute m ag netic semico nductors DMS)，这样阻抗匹配问题就迎刃而解.当今半导体工艺十分成热，一旦自旋极化电子能方便地注入到半导体中，自旋半导体电子学器件必将迅速发展.目前科学家可预见的应用领域罗列如下:
1)自旋场效应晶体管(FET);
2)自旋发光二极管(LED);
3)自旋共振隧穿器件(RTD);
4)运行在千兆赫频段的光开关;
5)量子计算机与通信用的量子比特;
6)调制器、编码器、解码器等.
20世纪末，美国科学院与工程院的科学家撰写论文[3]，回顾了100年来在凝聚态物理领域中对人类社会的发展起重要推动作用的研究成果，其中在基础研究领域提到1857年发现的各向异性磁电阻效应；在应用技术领域中提到1988年发现的巨磁电阻效应.显见，磁电阻效应的发现与应用不仅具有深远的基础研究意义，而且具有现实而重要的应用前景.20世纪80年代法国科学家阿尔贝 费尔和德国科学家彼得 格林贝格尔开创的巨磁电阻效应的研究工作，揭开了磁电子学辉煌的新篇章，现在已开拓到宽广的半导体自旋电子学领域中而形成自旋电子学的新学科.自旋电子学正处于快速的发展时期，方兴未艾，前程无量.从物理的观点，在微电子器件的设计中增添自旋这一自由度，器件的性能除电控外尚可磁控，今后，必将涌现出难以估量的以自旋为基的新型器件.因此2007年度的诺贝尔物理奖 巨磁电阻效应 更为深远的意义在于开创了自旋电子学的新领域.
参 考 文 献
[1] Baibich M.N.e t al.,P hys.Rev.L e tt.,1988,61,
2472 2476
[2] B.Dieny et al.,P hys.R ev.B1991,43,1297
[3] C on dens ed M ater and M aterials Physics.National Res earch
C ou ncil(US A).Nation al Academy Pr ess Washin gton, D.
C.1999
豫公网安备41160202000603
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