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自旋世界(19)--诺奖青睐 精选

已有 8753 次阅读 2007-10-9 21:05 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记|关键词:学者

刚刚公布,2007年诺贝尔物理学奖归于“巨磁电阻GMR”的发现者。在昂萨格之后箭头排列问题(自旋世界)再次获得诺奖的青睐。

 

事实上,凝聚态物理在最近一些年似乎倍受诺贝尔物理学奖评奖委员的重视。从小范畴角度看,2000年、2003年和今年的物理学奖奖励的都是典型的凝聚态物理成果;如果范围稍微扩大一些,2001年和2005年的获奖成果与凝聚态物理也不无关系。这一特点也许不能说明什么,但是我们假定它能够说明什么的时候,就可以说道说道了。

 

 

一方面,凝聚态物理在微电子学发展开始就成为物理学的主要领域。据统计,在目前从事物理学研究的人员之中,有70%是从事凝聚态物理研究的。

 

另一方面,从应用来看,物理学各个分支中,凝聚态物理学与人们的日常生活之关系最为密切。不知道这是不是反映了人类对于物理学的一种看法,即物理学不仅是发现自然基本运动规律的科学,更应该是促进人类生存质量提高的科学。

 

从更远的角度看,物理学研究似乎到了一个阶段。在这个阶段,具有划时代意义的重大发现已经不多,或者说虽然很多但是我们还没有探到苗头。现在的物理学似乎不像创立经典物理学和发现量子力学的那些时代那样激动人心。不知道这对我们是一种幸福还是悲哀。但是,无论如何,物理学依然是充满魅力且依然需要我们去披荆斩棘的学问。

 

由此,我们来看今年的诺奖。从功利的角度看,这一成果获奖是迟早的事情。其一,Albert FertPeter Grunberg的发现开辟了当今称之为自旋电子学(spintronics)的新领域。请注意,这里出现了本文的主题词:自旋。其二,我们人手一台的电脑中所使用的硬盘无一例外都有FertHrunberg伟大发现的成果。有了这两个理由,“巨磁电阻GMR”效应获奖大概也无可非议。自旋电子学中自旋输运(spin transport)还是方兴未艾的新领域。

 

还应该注意到,这一成果在1980年代末期取得,到现在刚刚二十年。在很多标志性意义之外,我愿意提到FertGrunberg揭示GMR现象时分别是50岁和49岁。这一成果远不是在我们通常认为的20~30岁青春年华时取得的。这一标志意义给那些40岁前后的潜在“诺奖老人”打了一支强心针:别气馁,还有机会。^_^  也给我们这些跟在他们后面折腾的人以搬弄物理的理由:别气馁,说不定有用。^_^

 

所谓“巨磁电阻”是说在一类磁性金属FM/正常金属NM/FM组成的三明治结构中,穿越三明治的电阻随两个FM层自旋排布不同而变化的一种现象。这里,NM可以不是金属;三明治结构也可以变种为其它结构,如钱嘉陵先生的颗粒GMR。你施加磁场H,颗粒体系电阻就会下降。我们可以用MR=[R(P)-R(AP)]/R(AP)来表示这个巨磁电阻大小,其中R(P)是三明治左右FM层自旋平行时的电阻,R(AP)是它们反平行时的电阻。因为R(P)<R(AP),所以MR是负的。GMR与传统磁学中的正磁阻和各向异性磁阻等有本质不同:一是GMR为负,二是GMR在室温下都可以达到-10%或者更高。人类从此有了利用电阻变化来实现(获取)digital记录数据的方法。要知道,测量电阻可能是物理人最经常做,或者说最会做的事情之一。所以,GMR磁盘出来了,现在已经达到每英寸硬盘200Gbits的容量,大概可以存储高清晰DVD电影250部。由此推算,一个标准的计算机硬盘可以轻易地存储高清晰DVD电影2000部甚至更多。更值得期待的则是非挥发的MRAM器件,也许将来有一天电脑不再需要硬盘,直接由MRAM来存储数据,从而使得数据读写元件变得更小、更快、更强。

 

 


 

 

说了半天,看君会问这07诺奖和自旋世界有什么关系?其实真的是很简单!我们来说说(参考上面FM/NM/FM三明治结构示意图)

 

1,自旋世界最讲究箭头排布方式:两个箭头可以平行排列,或者反平行排列。现在我们将这一图像扩展到上面说的三明治结构:在铁磁FM层中自旋是平行排列的,所以我们用几个箭头来表示;NM夹心层中自旋是随机排列的。

2,量子力学告诉我们,电子在自旋平行排列的世界中游荡跑步时遇到的阻力(散射)小,而在自旋反平行排列的世界里跑步阻力大。

3,由此可以看到:三明治结构中,如果夹心层左侧的FM层内自旋与夹心层右侧的FM内自旋反平行排列,则电子穿越三明治阻力大,即电阻大;相反,如隔夹心层左右两个FM层的自旋平行排列,则电子穿越阻力小,即电阻小。

4,现在我们做一个FM/NM/FM三明治结构,固定左边的FM层内自旋不动,而右边的FM层内自旋随外加磁场H之大小和方向不同而变化。这样一来,电子穿越三明治时电阻就会随H大小或方向不同而不同。

5,这就是GMR,巨磁电阻。现在来看很简单的一个现象。^_^

 

当然,实际世界中GMR的应用要复杂得多,但是原理就是如此简单,物理的美也是如此简单。

 



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1 张旭

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