10月9日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，2007年诺贝尔物理学奖授予法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grünberg，以表彰他们各自独立地发现了“巨磁电阻效应（giant magnetoresistance，GMR）”。

 

    磁电阻效应是指把一个导体置于外磁场时引起其电阻变化的物理现象。对于传统的铁磁导体如铁、钴、镍等来说，磁电阻效应的大小与外加磁场和通过该导体的电流的相对方向有关。当磁场与电流方向平行或反平行时，测量发现磁性导体的电阻值在这两种情况下不一样，现在称为各项异性磁电阻效应，是由电子的自旋－轨道耦合作用引起的。在大多数情况下，磁电阻效应很小，一般小于百分之几。但磁电阻效应在技术上有着重要的用途，可被用于制造计算机磁盘的读出头和磁场传感器。然而，该效应于150年前被发现以来，基于磁电阻效应的磁性传感器的性能一直无法得到大的改善。

 

    1988年，法国南巴黎大学Albert Fert教授领导的研究小组，在研究用分子束外延生长的厚度可达６０层的铁/铬磁性多层膜（通常由磁性和非磁性金属层交替堆积而成）单晶时，令人惊奇地发现在零下２６８．９５℃的低温下，两个铁磁层之间存在着较强的反铁磁耦合，对于铬层厚度为9埃的磁性多层膜，当外加磁场达到两特斯拉时，发现两个铁磁层之间的反铁磁耦合消失，其磁矩取向变成彼此平行；通过测量铁/铬磁性多层膜的电阻，意外地发现外加磁场的电阻值几乎下降到没有外磁场时的一半，电阻的变化率高达５０％。此前早三个月，德国优利希研究中心Peter Grünberg教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也独立地发现了完全同样的现象。两个研究组认为，这种现象与前面所讲的通常的磁致电阻效应不同，是一种全新的物理现象，其物理根源可能归因于磁性导体中传导电子的自旋相关散射．Fert教授建议将这种现象称为巨磁电阻效应，Grünberg教授意识到了该效应在技术上应用的可能性，还申请了专利。目前，基于GMR效应的磁盘读出头和磁性传感器已经商业化。这项技术使得我们现在使用的计算机硬盘体积越来越小，容量越来越大。

     

    这两个研究小组的工作发表以后，引起了世界各国科学家的极大兴趣和关注，随后在许多其他物理系统中也发现了巨磁电阻效应以及与该效应有关的其他物理现象．例如，在磁性多层膜中发现的巨磁电阻效应促使人们在大块材料中寻找与此有关的效应，结果人们在大块的锰氧化物钙钛矿等材料中发现了磁致电阻变化比巨磁电阻效应高几个量级的新现象，并在其中蕴涵着丰富的物理特性，该现象现在被称为庞磁电阻效应（colossal magnetoresistance, CMR）。但由于CMR效应需要很高的磁场，在实际应用方面可能尚存在困难；另外，巨磁电阻效应的发现也极大地推动了人们对磁性金属层和绝缘层交替形成的多层膜结构中磁性隧道效应的深入研究，由此获得的巨大的隧穿磁电阻（tunneling magnetoresistance, TMR）效应已在基础研究和信息存储技术领域取得重要进展．基于TMR效应的磁性随机存储器已经商业化，虽然人们预期基于TMR效应的技术将会超过GMR传感器技术，但是GMR效应的发现和研究为TMR效应的突破性进展铺平了道路。

 

    GMR和TMR效应具有许多重要的应用，可以用于制造磁记录存储介质、磁性传感器、磁性读出磁头、磁性随机存取存储器(MRAM)、磁性发光二极管、磁性场效应晶体管等等，在信息技术、航空、汽车、石油勘探、地震观测、矿井探测等方面具有广阔的用途。

 

    巨磁电阻效应的发现极大地推动了凝聚态物理学和信息存储领域的快速发展，并逐渐形成了一门新的学科――自旋电子学．有别于传统的利用了电子电荷自由度的硅基微电子学器件，在自旋电子学器件中，电子的自旋成为信息储存、处理和输运的基本单元．基于电子自旋制造的高密度、高速度、低能耗、多功能、高度集成的新一代微电子器件，可望作为下一代高性能微处理器，在提高计算机运行速度、信息存储能力以及小型化等方面将发挥至关重要的作用，并极大地造福于人类。

 

    由此可见，巨磁电阻效应在出乎人们意料的被发现之后，很快为凝聚态物理学界所证实，并被广泛接受，并且迅速导致了新的技术和商业化的产品，促进了计算机工业的大力发展。同时，它在推动整个学科发展的基础上，催生了新的研究领域，其结果将对物理学和信息技术的发展产生深远地影响。巨磁电阻效应如此重要，在最近几年多次被提名诺贝尔奖，但由于各种各样的原因都未能成功，与诺奖擦肩而过。今年终于修成正果，可谓名之所至，众望所归。

 

    最后，特别值得一提的是，在Fert和Grünberg两个小组的工作发表之前，已有至少四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，但是其中无一个小组指出这是全新的物理现象。因此，诺贝尔奖委员会决定将发现巨磁电阻效应的荣誉归予Fert和Grünberg两个研究组，也不无道理。

 

    （本文作者：苏刚，教授，中科院研究生院教务长，研究方向为理论物理。）