现代磁学的黄金时期

现代磁学在过去的25年时间里进入了黄金时期。每一年几乎都不平凡，总有一些新鲜有趣的发现引人关注。一些怀疑论者曾在这个发展过程中给出的若干悲观预言都一一被超越。

三十年前的1984年，当我还是霍普金斯大学一个年轻教授的时候，一位著名的物理大师X教授(这里隐去他的姓名)来到霍普金斯大学讲学。其间我们偶遇，X教授问我：“你现在在哪一个领域里做研究？”我答道：“磁学。”他说：“磁学已经死了！”他又问：“你还做什么其他研究？”我答道：“超导。”他惊叫道：“超导也死了！”不言而喻，当时那种惊人而令人沮丧的场景至今还记忆犹新。然而，出乎所有人的预料，很快在1986年发现了高温铜氧化物超导体，1988年发现了巨磁电阻(GMR)效应。这两大事件显著改变了凝聚态物理的进程及其技术景观，并分别于1987年和2007年获得了诺贝尔物理学奖。事实证明X教授是大错特错了，而我们在过去的25年时间里已经进入了现代磁学的黄金时期。

这里，让我从1986年开始，大致按照时间先后的顺序提及一些重要的进展：

☀  层间耦合；

☀ 纳米多层膜和颗粒膜中的巨磁电阻(GMR)效应；

☀ 交换偏置；

☀ 电流垂直平面(CPP)的巨磁电阻(GMR)效应；

☀ 自旋阀GMR传感器；

☀ 铁磁性纳米线；

☀ 基于AlOx势垒的磁性隧道结（MTJ）；

☀ 庞磁电阻(CMR)效应；

☀ 用于测量自旋极化率（P）的安德列夫(Andreev)反射谱；

☀ 自旋转移力矩(STT)效应及其磁翻转和微波振荡；

☀ Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)微磁学模拟；

☀ 具有100%自旋极化率的半金属，如CrO₂；

☀ 磁随机存取存储器(MRAM)；

☀ 多铁性材料；

☀ 纳米环和纳米环磁性隧道结；

☀ 稀磁半导体；

☀ 有机自旋电子学；

☀ 具有巨大隧穿磁电阻效应的MgO势垒磁性隧道结；

☀ 自旋霍尔效应(SHE)；

☀ 逆自旋霍尔效应(ISHE)；

☀ 磁畴壁运动；

☀ 纯自旋流现象；

☀ 横向自旋阀；

☀ 自旋泵浦；

☀ 石墨烯自旋电子学；

☀ 自旋塞贝克效应；

☀ Rashba效应；

☀ 自旋轨道耦合作用及其磁翻转；

☀ Skyrmion材料；

☀ 电压调控的磁翻转；

☀ 拓扑绝缘体，等等。

每一年几乎都不平凡，总有一些新鲜有趣的发现引人关注，并且上述这些专题内容基本上都被涵盖在这部书中。

人们常说微电子学使现代技术得以实现，但这只说对了一半儿。更确切地讲，微电子学和高密度数据存储(HDDS)是现代技术发展的两个主要驱动力。它们共同使得过去只能由专业研究机构拥有的房屋尺度大小的计算机，变成了现在人人可以拥有的笔记本电脑和真正便携式的各种掌上电脑(PDA)。自1947年以来，每单位集成电路所含晶体管的数量按摩尔定律稳定增长，至今已超过10¹⁰/IC。同样引人注目的是，1955年磁记录开始应用以来，高密度数据存储(HDDS)技术的记录密度持续增长至今天，也远高于摩尔定律的预测、超越了10¹²bit/in²。

法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因发现巨磁电阻（GMR）效应共同获得2007年诺贝尔物理学奖。GMR效应引发了硬盘“大容量、小型化”的革命。

非常有趣的是，一些怀疑论者曾在这个发展过程中给出过若干悲观的预言。当巨磁电阻(GMR)效应发现后，一些人认为，由于需要非常大的磁场GMR效应无法应用，但随后自旋阀式GMR器件巧妙地避免了这个困境。当采用超导量子干涉仪(SQUID)探测系统第一次观测到具有非常小电阻的电流垂直膜面(CPP)的GMR效应后，一些悲观者又宣称CPP-GMR效应永远不会被应用。但今天，三维尺度均为几十纳米的CPP-MR磁读头被广泛地使用在硬盘驱动器(HDD)之中。在20世纪90年代，有一个最高磁记录密度不可能超过40Gb/in² 的著名终极预言。该预言仅盛传了几年之后就被无情地悄然打破。今天，磁记录密度已经超过上述预言极限值的30倍，并且仍在继续攀升。公正地说，该预言并没有真正预见到现代磁学中一系列的发现对高密度数据存储(HDDS)的推进所起到的作用；不过，主动做出预言与占卜有一点相似，它们均具有一定的风险。

这本书由自旋电子学领域里的众多前沿专家共同编写，收录了上述现代磁学黄金时期那些令人兴奋的、方兴未艾的持续研究进展。我个人也熟知这本书里的许多作者，并且受益于与他们之中几位作者的合作研究。这部书的唯一缺憾是它采用中文撰写，这会让那些非汉语科学家们无法分享它的丰富内容。

本文摘编自钱嘉陵先生为韩秀峰等编著《自旋电子学导论》(上、下卷)一书所作的序言。文中图片及图注来源于网络。

钱嘉陵（Chia-Ling Chien）约翰·霍普金斯大学物理学首席教授，材料科学与工程研究中心主任，毕业于台湾东海大学，在卡内基·梅隆大学获得物理学硕士和博士学位。他是美国物理学会会士、美国科学促进会（AAAS）会士，同时也是南京大学、兰州大学、复旦大学等高校名誉教授，亚洲联合磁学协会第一人。2004年获得美国物理学会的David Adler奖。

自旋电子学是凝聚态物理研究中非常重要的新兴学科和研究领域之一，其将电子自旋相关效应与传统微电子学相结合，为研发具有全新功能的下一代微电子器件提供了前所未有的机遇。《自旋电子学导论》由工作在自旋电子学研究领域里的国内外50余位学者撰写而成。全书分两卷、共28章，各章均由该领域富有研究经验的知名专家负责，较全面地介绍和论述了目前自旋电子学研究领域中的各个重要研究方向及其进展，并重点关注自旋电子学的关键材料探索、物理效应研究及其原理型器件的设计开发和实际应用。

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