物理学奖：硬盘的荣光

holden

2007年诺贝尔奖系列报道之二

物理学奖：硬盘的荣光

  【网络版专稿/《财经》杂志记者 于达维】北京时间10月9日下午5点45分，2007年诺贝尔物理学奖揭晓：69岁的法国巴黎大学阿尔伯特·费尔特（Albert Fert）和68岁的德国尤利希研究中心的彼得·格伦博
格(Peter Grünberg)，因为几乎同时独立发现了巨磁电阻效应（GMR：Giant
Magnetoresistance）而共同分享了这一奖项。两位科学家将分享1000万瑞典克朗(约合154万美元)的奖金。
  诺贝尔奖评审委员会在宣布物理奖归属时说，这是一次“好奇心导致的发现”。但其随后的应用却不啻为革命性的，因为它使得计算机硬盘的容量从几十兆、几百兆，一跃而提高了几百倍，达到几十G乃至上百G（1G等于1024兆）。
　　一度被光盘所超越的硬盘储存技术，又重新夺回了自己的领先位置。在每一台笔记本电脑中，都流动着这个物理效应的“幽灵”。
　　磁盘存储技术的原则，是利用每个存储点上的磁场方向代表二进制的0或1，要读取这些数据，需要电极扫过这个磁场；由于磁阻效应，磁场会引起电极电阻的改变，从而改变电流的强度，电极输出电流的高低，就代表了0或1。
　　在磁场作用下，磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象，被称为磁阻效应。这种效应，早在1857年就被英国的开尔文勋爵发现。不过，这种改变的幅度并不大，通常只在1％到2％之间。因此，在巨磁阻效应被发现之前，存储数据所需要的磁场要保持一定的强度，数据点不能做的太小，磁盘容量受到很大限制。
　　1988年，法国巴黎大学的费尔特教授和德国尤利希研究中心的皮特·格伦博格各自独立发现，在铁、铬相间的多层膜电阻中，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。其中，费尔特观察到50％的变化，并把这种效应命名为“巨磁阻效应”。
　　由于膜厚度不同，格伦博格所观察到的变化较小，达到10％。但他最早看到这种技术的应用前景。在发表论文的同时，格伦博格就申请了专利。获奖后，他在接受德国一家电台采访时说，业界对这一发现的反应还是慢了点。
　　对于科学界而言，1988年的这一发现绝对是一个巨大的惊喜。因为在开尔文勋爵发现这一效应之后长达一百多年的时间内，人们一直认为磁阻效应很难有改进的空间。
　　20世纪90年代，许多科学家又在铁/铜，铁/铝，铁/金，钴/铜，钴/银和钴/金等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应，巨磁阻多层膜开始在高密度读出磁头、磁存储元件上开始得到广泛的应用。
　　到了1994年，IBM的研究员斯图尔特·帕金（Stuart Parkin）终于根据这一物理原理，研制出新型的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达到5G比特／平方英寸，从而在与光盘的竞争中重新处于领先地位。
　　在科学界看来，虽然这一发现颇有些“无心之得”的意味，但也并非偶然。美国乔治亚理工大学教授王中林对《财经》表示，费尔特和格伦博格的发现得益于上世纪80年代中期开始的纳米技术的进步。这使得他们可以在真空环境中制造只有几个原子厚的金属薄膜，而这在以前是无法想象的。
　　瑞典皇家学会在诺贝尔奖官方网站的介绍中也指出，巨磁电阻效应（GMR）应该算是纳米技术在现实中最早的应用。
　　在王中林看来，巨磁阻效应从被发现到被广泛应用，只用了六年时间，是他印象中应用最快的一个。
　　“像以往我们用的录音带，是磁带和磁头相互作用，接触面积太大，读写都不快。用上磁电耦合后，读的速度非常快，可以用最大的密度和最小的单位面积存储数据，这对后来计算机和移动电子设备的发展起了非常大的作用。”他对《财经》补充说。
　　从1997年真正的商用巨磁阻磁头问世到如今，每年超过10亿个使用这种技术的硬盘和MP3涌入市场，这一技术也给IBM带来了上百亿美元的收入。
　　由于这一发现的轰动效应，费尔特和格伦博格已经多次一起获奖。1994年和1997年，帕金和费尔特、格伦博格先后分享了美国物理协会颁发的新材料James C. McGroddy奖和欧洲物理协会颁发的惠普欧洲物
理奖。2006年和2007年，两人又一起获得了沃尔夫物理奖和日本奖。
　　在2006年9月6日，汤姆森科技信息集团 (Thomson Scientific) 公布的2006年汤姆森科技桂冠奖 (Thomson Scientific Laureates)名单中，艾尔伯特·费尔特和彼得·格伦博
格又赫然在列，而这被普遍认为是诺贝尔奖的预演。一年后，两人果然获得诺奖。
　　现在，IBM研究员帕金正在致力于将巨磁电阻效应（GMR）技术衍生的TMR（隧道磁阻效应磁金属/半导体多层膜）技术和自旋电子学（Spintronics）应用于MRAM技术，以取代目前计算机随机存储器（RAM）中所使用的DRAM技术。
　　MRAM由于利用磁场存储数据，不像用电容储存数据的DRAM那样关闭电源后会导致数据丢失，所以日后的计算机将不需要在开机后等待将系统程序从硬盘调入缓存，可以像电视机一样，即开即用。
　　不过对于帕金来说，这次被瑞典皇家学会最终排除在了诺奖之外，也多少有些苦闷。

　　加州大学河滨分校纳米尺度科学工程中心主任罗伯特·哈登（Robert C Haddon）对《财经》表示，此前他们三个人已经一起获得过两次奖，所以这次帕金没得到诺奖确实值得商榷。“也许是评奖委员会认为，观测到巨磁阻效应更加重要吧。”
　　“没给他确实有点遗憾。”王中林教授也表示，“我个人认为，工业化应用也是这个发现的重要部分，否则它的影响会非常有限。”
　　而在巨磁电阻效应之后，人们普遍预测，掀起存储技术下一轮革命的，很可能是靠电子自旋方向而不是磁场方向来存储数据的自旋电子学（Spintronics）。这一领域是否会诞生新的诺贝尔物理学奖得主？这仍然是个未知数。