信息存儲時代的物理英雄——記2007年諾貝爾物理學獎獲得者阿爾貝·費爾和彼得·格倫貝格

作者：王進萍 （《物理》編輯部）

2007年12月 10日， 法國物理學家阿爾貝·費爾（Albert Fert） 和德國物理學家彼得 · 格倫貝格（Peter Grunberg）分別獲得了一枚印著藍白紅標誌的 2007年諾貝爾物理獎章。 他們各自獨立發現的巨磁阻效應（giant magnetoresistance, GMR）， 導致了具有海量存儲硬碟技術的出現， 從而引發了一場信息存儲技術的革命，給我們的生活帶來了極大的便利：用 MP3聆聽音樂， 拿數碼相機記錄生活， 甚至能夠讓我們十分輕鬆地將一個「圖書館」隨身攜帶。

本刊編輯通過電子郵件向兩位獲獎科學家表示了祝賀，並採訪了格倫貝格博士。 另外還通過與兩位著名科學家有過接觸的物理界同行了解了這兩位科學家在生活和研究經歷中一些鮮為人知的細節， 在此一併整理髮表，以饗讀者，期望能夠對我國的物理學者們有所啟發。

廣泛的愛好、幸福的家庭

今年的兩位諾貝爾物理學獎得主， 不僅在科學道路上「英雄所見略同」， 先後獨立地發現了巨磁電阻效應；而且兩人在生活喜好等方面，也有諸多驚人的相似之處，比如他們都十分著迷音樂和體育，各自都擁有一個幸福美滿的家庭。

阿爾貝·費爾於1938 年出生在法國西南部的城市卡爾卡松。 由於父親參加了第二次世界大戰，費爾是在鄉村祖父的家中度過他的童年的。 祖父是一位小學老師，40歲的那年， 因為不滿並揭露社會制度的黑暗而憤然辭職。 年幼的費爾一直十分依戀祖父，並深受其正直、堅強等性格的影響。 從少年時代開始，費爾開始沉迷於橄欖球。 那時， 橄欖球正風行於整個法國。 他對自己在Domec球場與1』ASC 球隊的 13人橄欖球比賽，至今還記憶猶新。 如今，他還常常十分自豪地告訴別人， 他在圖盧茲打了 20年的15人橄欖球，並且打開放的一半或三分之一線！

17歲那年費爾參加了高考， 雖然數學和物理的成績都很不錯，但他似乎更加喜歡文學。 在圖盧茲上高中的時候，他甚至還參加了拉丁語和希臘語的考試。 事實上，他曾參加過兩次高考， 選擇的專業分別是文學和科學。 19歲那年， 由於數學成績優秀， 費爾進入巴黎高等師範學校的大學預科班。 1962年， 費爾在巴黎高等師範學院獲得數學和物理碩士學位。他決定像自已的父親和哥哥一樣， 把物理學當作他的終身職業。

除了鍾情於物理學的研究，費爾還熱愛攝影、電影和爵士樂。 他的這些愛好也影響和延伸到了自已的子女身上。 兒子 Bruno成為攝影家， 獲得過世界記者獎。 女兒 Ariane是一位電影編劇， 寫過電影《速去遲歸》（Par vite et reviens tard）等劇本。

彼得·格倫貝格 1939年出生於今屬捷克的皮爾森（Pilsen）。 1946年移民至德國黑森州的勞特巴赫（Lauterbach），並且在那兒一直呆到高中畢業。 格倫貝格與費爾一樣喜歡音樂。 費爾最喜歡的樂手是美國爵士樂鋼琴家塞羅尼斯·蒙克，而格倫貝格似乎對古典音樂更加痴迷，而且他還是一名吉他愛好者。 當筆者問他「： 正是有了您的發現才導致了 MP3的出現。 我想知道，您現在用 MP3欣賞音樂的時候，是否有一種特別的感覺呢？」格倫貝格回答道：「我確實是一名音樂愛好者，並且常常從網上下載從廣播中聽到的好聽的音樂。 但是，當我在家享受這些的時候，我感受到的只有音樂本身，而不是我的發現。 」

除了音樂之外，格倫貝格酷愛體育活動，他幾十年如一日，每天都是騎著自行車穿行於被厚厚的森林包裹著的尤利希研究中心。 另外他還擅長滑雪，尤其十分痴迷乒乓球， 甚至會專程開車去別的城市看乒乓球比賽。 他經常與來自中國的研究人員切磋乒乓球的技藝。 或許正是由於喜愛乒乓球的緣故，他與很多中國人有著來往， 甚至中午到研究中心的食堂吃飯時，也會不時地與食堂里的中國大廚聊上幾句。他在尤利希小鎮的兩處房產的房客也都是中國人。

1966年，格倫貝格與Helma結婚， 養育了 3 個孩子。 他的妻子 Helma也在尤利希研究中心工作。1999-2003 年，Helma曾是尤利希研究中心國際俱樂部負責人，主要負責安置來自不同文化背景的外國訪問學者家庭， 幫助他們儘快地適應德國的生活和工作。

當筆者請他談談家庭對事業的影響時， 他回答說，「我的家庭對我的工作給予了巨大的支持。 我對我的妻子和三個子女對我從事的工作的理解充滿了感激。 我希望，即將到來的聖誕節期間， 我們全家能夠好好地花些時間來享受一下。 」

「好奇心導致的發現」並非出自偶然

兩位不同國籍的科學家， 費爾和格倫貝格沿著不同的軌跡， 共同登上了同一座科學高峰—發現了巨磁電阻效應。 儘管兩位科學家取得一生中最重要發現的歷程不盡相同，但有一點毋庸置疑：這項新效應的發現還得益於20世紀70年代末發展起來的材料製備新技術—超晶格材料製備。 超晶格的出現是材料科學發展中的一個重要里程碑， 也是物理學發展史中的一個重要事件。 這種新材料製備的意義不僅在於生產出新的人為可控制的材料， 更重要的還在於這些材料中陸續發現一些新效應和性質。 實現巨磁電阻效應的材料， 其薄層結構只能有幾個原子層的厚度。 在納米尺度範圍內操縱原子技術的發展，確確實實都幫了他們兩位「英雄」的大忙。

在磁場作用下， 磁性金屬內部電子自旋方向發生改變而導致電阻改變的現象，被稱為磁阻效應。 這種效應，早在1857年就被英國的開爾文勛爵發現。不過， 這種改變的幅度並不大， 通常只在1%到 2%之間。 很長的一段時間裡，人們還不知道可以通過製造足夠薄的金屬磁性多層薄膜來利用這些特性。 因此，在巨磁阻效應被發現之前，存儲數據所需要的磁場要保持一定的強度，數據點不能做的太小，磁碟容量也受到很大限制。

到了 20 世紀 70 年代， 在鐵磁性金屬和非鐵磁性金屬組成的磁性超晶格中， 由於發現了新的自旋波模式，磁阻反常變化等現象，引起了人們廣泛的興趣。 磁性超晶格不僅在其基礎研究方面，而且在應用方面顯示出廣闊的前景， 使得科學家們首先開始深入了解這種效應的基本原理： 在由磁性材料和非磁性材料間組成的納米多層膜中， 特別是兩種材料接觸的表面，電子沿相反方向旋轉，在外來磁場的作用下，電子會大大增加電流穿越「三明治」層的阻力。而且磁場的方向會影響到不同自旋方向的電子在導體中運動的能力。 於是， 製造出納米尺度的「三明治」膜層便成為了實現巨磁效應的關鍵。 也正是在這些認識的基礎上， 費爾和格倫貝格向前邁出了超越前人的一大步！

1969年，格倫貝格在德國達姆施塔特工業大學獲得博士學位。 從1972年開始， 格倫貝格一直擔任德國尤利希研究中心固體問題研究所的教授， 從事鐵磁性金屬薄膜上表面和界面的磁有序狀態方面的研究。 1985年， 格倫貝格去美國著名的阿貢國家實驗室學術休假。 休假即將結束時，他腦海中突然冒出用鐵/鉻/鐵金屬膜片做成「三明治」薄膜樣品的念頭。 於是，他立刻找到該實驗室的技術人員H. Sowers。 格倫貝格隨機地選擇了鉻的厚度， 讓 H. Sowers將鉻膜片置入兩個鐵膜片之間， 用分子束外延方法製備成了幾塊不同的納米尺度的「三明治」薄膜樣品。 休假結束回國的時候，格倫貝格將做好的幾塊樣品也隨身帶回了德國。1986年， 他在自己的實驗室里用激光布里淵散射方法測試這些樣品。 在測量具有不同非磁性層厚度的 Fe/Cr/Fe 雙層薄膜的布里淵散射時發現，隨著鉻膜片厚度的變化，上下兩層鐵的磁矩可以平行排列（鐵磁耦合）， 也可以反平行排列（反鐵磁耦合）。 後來， 格倫貝格在其中的一塊鉻層厚度為 8埃的反鐵磁耦合樣品中觀測到6%的磁電阻變化，這一結果比一般的磁電阻效應要大好幾倍。 正因為當初發現這塊樣品奇異的物理性能，而做深入的機理與應用研究，20年後， 它最終幫助格倫貝格獲得了諾貝爾物理學獎！

諾貝爾獎評審委員會在宣布物理獎時說， 這是一次「好奇心導致的發現」。 筆者好奇地問格倫貝格：「您是不是也認為這一重要的發現是偶然取得的呢？」他回答說：「1988 年巨磁電阻效應的發現不是偶然的現象。 自從 1986年發現了反鐵磁耦合現象後，我們就開始著手尋找能夠改變磁場電阻的材料。真正讓我們感到驚訝的是巨磁電阻效應的強度。 」

和格倫貝格相比， 費爾取得的重要發現並不具有「偶然」和傳奇的色彩。1970年， 費爾在巴黎南大學完成了他的博士論文：「鎳和鐵的輸運性質」。 這篇論文研究的是已經被英國人 Nevill Mott 提及過的內容：自旋對電子在固體內行為的影響。 之後， 費爾留在巴黎南大學的固體物理實驗室工作。 經過多年鍥而不捨的努力，費爾終於在 1988 年發現了巨磁電阻效應。 費爾及其同事在由鐵和鉻組成的多達120層的多層膜材料樣品中， 發現磁場下電阻變化了50% ，他將這種效應命名為「巨磁電阻」效應， 並正確闡述了巨磁電阻的起因和由巨磁電阻效應所引起的電子自旋的作用。

拒絕做與世隔絕的研究者

與我們熟悉的不少日夜埋身於實驗室、心無旁騖的自然科學家相比， 今年的兩位諾貝爾物理學獎得主多少有些與眾不同。 他們並不滿足於僅僅完成實驗和撰寫論文， 對所從事工作的應用前景都保持了高度的敏銳性，拒絕做一個與世隔絕的研究者。 科學向技術的迅速轉變不僅改變了他們的人生， 而且還更多地影響了身邊的世界。

費爾除整日忙於自已團隊的研究和給巴黎南大學的學生上課之外， 一直就熱衷於推動公共實驗室和工業的聯繫。 但他從沒有想過自己的發明會被應用得如此廣泛。 他說：當我在雜貨店裡看到售貨員在電腦上輸入， 我便說， 哇！ 他正使用我想出來的東西，太好了。 自1995年以來，費爾已經取得了一大批專利，不少專利已有產品投入市場。

格倫貝格在實驗室

格倫貝格對專利的敏銳性一點不亞於費爾。 早在他發表那篇讓他聞名遐邇的研究論文的同時， 他便為自已的發現申請了專利。 之後，這項專利被IBM等硬碟廠商購買， 每年給尤利希研究中心帶來近千萬歐元的收入， 格倫貝格每年也會獲得100萬歐元的專利獎金。 筆者問：「您當時立刻就想到了這一發現的應用價值了嗎？」格倫貝格說：「作為感測器的應用是十分顯而易見的， 因此我們立刻就申請了專利。 但是第一個硬碟被賣出去，我們足足等了 9 年的時間。 」

科學和工業技術應用的完美結合

今年的諾貝爾物理學獎授予了費爾和格倫貝格，無疑是科學界對兩位物理學家在物理科學領域取得的傑出科學貢獻的最高獎賞。 然而不可否認的是：工業技術的迅速和廣泛應用才使得我們更多地了解了他們的成就。

儘管當時兩位科學家的發現立即震驚了科學界，然而轟動效應過後一切又歸於平靜，原因是他們實驗所用的材料是在實驗室里一點點生成的， 材料繁雜而稀少，而且實驗必須在低溫、真空、高磁場的環境下進行，所以工業界並不看好這項實驗技術的應用和推廣。

如果不是一次偶然， 巨磁電阻效應的巨大應用也許會被推遲更久。1990年很尋常的一天， 國際商用機器公司（IBM）阿爾馬登研究中心的研究員斯圖爾特·帕金（Stuart Parkin）在瀏覽舊報紙時， 偶然看到了費爾和格倫貝格的研究成果， 他立刻就意識到巨磁電阻的重要價值。 據說， 帕金是一位說話快、走路快、開車快的， 典型的介於天才和「瘋子」之間的一位奇才。 難怪他的母親回憶說：「如果不讓帕金用夠了腦筋，他就睡不著覺。 」

當帕金意識到巨磁電阻的重要性後， 他便開始在實驗室里白天黑夜地工作。 帕金使用不同的材料和不同的薄膜體積， 一塊樣品一塊樣品地制出了 "萬多種多層膜組合。 可想而知，這是一項多麼繁重而枯燥的實驗工作，帕金卻樂此不疲，甚至專註到了足不出戶的地步。

1991年，他終於成功地找到了一種金屬材料，可以最大限度地發揮巨磁電阻結構的作用。 1994年，帕金找到了可進行大規模生產的方法，研製出信號變化靈敏度更高的讀出磁頭， 將磁碟記錄密度一下子提高了 17倍。 1997年， IBM公司的商用巨磁電阻磁頭問世， 從此在每一台筆記本電腦、MP3音樂播放器等各類數字電子產品中都開始流動著這個物理效應「幽靈」。 之後， IBM公司將這項理論物理實驗室的研究成果成功地運用到商業化的信息產業中，最終成為這項發明的最大贏家。 2006年，IBM公司以21億美元的不菲價格將硬碟光碟機業務賣給了日立數字系統公司。 目前世界上大約 60% 的硬碟磁頭都是中國製造。 從 1988 年巨磁電阻效應的發現到如今的巨大市場， 其速度在科學的發展歷史上也不多見，更為耐人尋味的恐怕還有這一發展的不尋常的軌跡：歐洲科學家的發現—美國企業家的開發—中國工業界的加工！

不少人認為帕金所做的貢獻完全可以和兩位物理學獎得主相媲美， 並且為帕金沒有能夠和他們分享今年的諾貝爾獎而感到惋惜。 事實上，之前他已經和他們一起獲得了不少的國際大獎。 例如，因為在巨磁電阻效應方面的先驅性工作，1994年和 1997年，帕金和費爾、格倫貝格先後分享了美國物理協會頒發的新材料James C. McGroddy獎和歐洲物理協會頒發的惠普歐洲物理獎。 帕金最終沒有獲得諾貝爾獎或許是因為他的貢獻更多地體現在技術和工業應用，而做出主要科學發現的是費爾和格倫貝格。

永不停息的探索者

從 1995年至今，費爾一直擔任著法國國家科學研究中心（CNRS/Thales） 物理研究聯合小組的科學主管。 同事眼中的費爾熱情、謙虛， 是一位唯美主義者，屬於那種永不停息的一類人。

工作中的費爾

費爾不僅發現了巨磁電阻效應，他對自旋電子學的發展也作出了卓越的貢獻，尤其在被稱為「旋轉轉移」現象的領域。 他迄今已經發表了近300篇論文。費爾取得了多種重要獎項，包括 1994年美國物理學會頒發的新材料國際獎，1997年歐洲物理協會頒發的歐洲物理學大獎，以及2003年法國國家科學研究中心金獎。 他還獲得了法國科學院金質勳章以及日本國際獎。2004年他被選為法國科學院院士。 作為一個69歲的老人， 他是否準備退休呢？ 針對人們的好奇心，他會笑著回答：不會，我還有很多對自旋電子學深入研究的計劃，例如它們在電信行業的應用等。 關於諾貝爾獎，費爾坦白地說，這是一個很大的榮譽：「這是我們在事業中能得到的最高的榮譽，是對我工作的一種肯定並授予了一定的威望。 」他說，「在物理學研究中絕對沒有辦法確信自已的哪些夢想可以實現。 」

在同事的眼中，格倫貝格是一個典型的德國人，研究態度認真，研究工作深入。 由於發現了巨磁電阻效應， 格倫貝格已獲得多個國際科研獎項。 今年4月，格倫貝格獲日本國際獎後， 同行們紛紛向他祝福：「剩下的就是諾貝爾獎了。 」格倫貝格坦然自若地回答說：「大家都這麼說，我也一直是這麼想的。 」

眾所周知，費爾和格倫貝格異曲同工，分別獨立發現了巨磁電阻效應。 他們的關係和學術交往過程也引起了許多人包括筆者的好奇。 筆者問格倫貝格：「您是如何評價費爾的貢獻的？」他說：「費爾和我完全是各自獨立發現了巨磁電阻效應。 直到我們各自發現了幾個月以後，我們才在一次會議上見面，並且談起了我們的工作，並進行了討論。 那時候我們才意識到：我們發現了同一個東西！ 從那以後，許多研究機構和研究人員又作出了許多的貢獻。 毫無疑問，在我們發現之後，整個的自旋電子學領域出現了一片繁榮的景象。 」

Tony Bland（劍橋大學物理學家）評論說：「費爾準確地描述了現象背後的物理， 而格倫貝格則一下子看到了這種效應在技術應用上的重要性。 」

費爾也說「： 格林貝爾是我一直很欽佩的一個人，我們之間有著長久的友誼。 」兩位謙虛的科學家用自己的言行為許多同行做出了表率：同行未必相輕！

格倫貝格與中國同行的合作

格倫貝格的得獎也令許多中國同行感到高興和驕傲。 說起來，他和許多中國物理科學界同行， 還有許多不為常人所知的不尋常交往。

中國科學院物理研究所於1980年便開始與德國尤利希研究中心建立交流合作關係。 1982年， 格倫貝格所在的實驗室負責人來中科院物理所訪問，並與磁學實驗室簽訂了交流合作協議。

1984-1985年，物理所磁學室的龐玉璋到尤利希研究中心作訪問學者。 1985年， 格倫貝格從美國Argonne學術中心度假回來， 將帶回來的幾塊樣品交給了龐玉璋，並安排他用光學方法測量樣品，結果在實驗中發現了反鐵磁耦合現象。 因為龐玉璋參與了部分工作， 成為格倫貝格發表在《Physical Review Letters》 那篇著名文章的第三作者。 1986年， 龐玉璋回國後，由於工作安排需要，轉向去做其他方面的研究，沒能在巨磁電阻方面繼續深入研究。 這多少令人有些遺憾！

中科院物理所磁學實驗室的穆斯堡爾譜儀

1985年 4 月，中科院物理所磁學實驗室的張鵬翔前往尤利希研究中心，進行為期半年的訪問交流，並與格倫貝格建立了良好的合作關係。 1986年， 張鵬翔回國後， 與格倫貝格一起申請了「西德大眾汽車」合作研究項目。 1992年，格倫貝格用申請的合作經費在德國 Omicron公司購買了一台價格不菲的穆斯堡爾波譜儀。 這台儀器運到中國後，至今還在中科院物理所磁學實驗室使用。 這台超精細相互作用研究設備，用於磁性金屬 /稀磁半導體分子束外延生長和原位分析。 事實上，這些年中科院物理所磁學實驗室在多層膜方面也做出了不少開創性的工作。 在全世界至今發現具有 GMR效應的 20 多種金屬多層膜中， 有三種就是中科院物理所磁學實驗室發現的！此外，磁學實驗室也持續開展了有關新型磁電阻材料和器件及其物理研究， 在納米環狀磁性隧道結及其新型磁隨機存儲器原理型器件研製方面也取得了重大進展。 2004 年， 格倫貝格應邀來中科院物理所訪問時，還專門來到磁學國家重點實驗室參觀了這台儀器。

巨磁電阻效應的發現很大程度上得益於納米科學的迅猛發展。 筆者在採訪中請格倫貝格談談對中國的納米科學研究有什麼評價和建議。 他坦誠地回答說：「實話講，我對中國在這一領域的研究活動不是很熟悉，所以也無法提出具體的建議。 但是我可以告訴你們，我們尤利希研究中心的研究領域很寬，因此我們得以從事許多問題的探討， 從自旋電子學方法研究到先進互補金屬氧化物半導體， 一直到生物電子學的研究。 這些研究工作得到了強有力的基礎設施和技術人力方面的支撐。 」

格倫貝格不僅與中國科學院物理所的一些科研人員一直保持著聯繫，事實上，他非常願意與世界上各國的同行學者交流最新的學術動態和進展。 他認為，有好東西就應該多做宣傳，一定要讓更多的人了解，好相互學習、借鑒。 只有這樣，才能拓寬自己的研究思路，走出「象牙塔」。 無論是兩位諾貝爾物理學獎得主還是帕金的傳奇經歷似乎都驗證了他的這一見解。

感謝費爾，格倫貝格和帕金，他們讓我們今天的生活變得如此便捷。 未來的「存儲世界」將會迎來怎樣的改變？ 誰將會成為下一個信息存儲時代的物理英雄？ 我們充滿著期待。

致謝本文得到了Romain Amiot博士、 鄧蘊博士，曹則賢研究員和劉玉龍研究員的熱情幫助，在此表示衷心的感謝。

本文選自《物理》2007年第12期

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