海量信息的物理基础——透视2007诺贝尔物理学奖

海量信息的物理基础
                             ——透视2007诺贝尔物理学奖

       
        用MP3聆听音乐，拿数码相机记录生活，上网搜索资料……这些都得益于磁盘技术的出现。一部风靡欧美的电影《FightClub（搏击俱乐部）》描写了一 个精神分裂症患者，没有权力，也拒绝暴力伤人，却想实现“人人财富平等”。听起来不可思议，实现起来易如反掌，至少理论上如此——让世界上所有财富归零， 只要摧毁银行总部里那块存储着每个人财产信息的硬盘就可以了。
        显然，面对海量信息的严峻挑战，磁盘就成了整个信息时代的“大本营”——那个聪明的精神分裂症患者注意到了这一点——硬盘可以轻而易举地存下整个世界。但是就在二十多年前，磁介质存储险些让光介质存储赶出历史舞台。
        而今，不但硬盘的冤家——光盘，已然黯然退居二线，而且因导致硬盘技术的出现而改写信息技术进化史的两位“英雄”也获得了今年的诺贝尔物理学奖。他们的实验发现——巨磁阻效应，帮助人类读取整个信息世界。
        150年前，英国的开尔文勋爵发现，在磁场作用下，一些金属物体内会发生电阻改变的现象。在此后的一百三十多年里，这种“磁电阻”效应的发现并没有对技术进步有什么实质性的推动。显然，电阻变化的幅度太微弱，只有1%到2%。
        1980年代中期，在只有一些模棱两可的猜测下，法国巴黎大学的艾尔伯·费尔(AlbertFert)和德国尤利希研究中心的彼得·格鲁伯格 (PeterGrünberg)正在尝试去“放大”磁阻效应。经过几年潜心研究，1988年，费尔的科学团队发现，在Fe/Cr多层膜中，微弱的磁场变化 就可以引起电阻的急剧变化，幅度是开尔文的数十倍。费尔将其命名为“巨磁电阻效应（GiantMagnetoresistance，简称GMR）”。稍后 不久，格鲁伯格在尤利希研究中心也发现了同样的效应。
        虽然没有直接理论预言，但是巨磁阻的发现已经是瓜熟蒂落了。这是借了纳米技术的东风。当时，科学家已经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，巨磁电阻算是纳米技术的第一场胜仗。
        在巨磁阻效应发现前后，磁盘存储技术正举步维艰。由于数据存储点需要有足够的磁场，那么就不能做得太小，否则磁场太弱无法检测出来。这种磁存储患了“阅读障碍综合征”，整个业界看好光存储技术。
        虽然格鲁伯格稍晚一些发现了巨磁阻效应，但他具有技术眼光和经济头脑，发现之后就申请了专利。在这以后的几年内，格鲁伯格多次向媒体提到巨磁阻没有得到足 够的重视。通过抱怨的方式来提醒业界尽快完成从实验室到市场的技术产业化。而今，老格鲁伯格能拿到的专利报酬相当于每年给他一次诺贝尔奖金。
                       
                                      1988年，艾尔伯·费尔首先发现了巨磁阻效应
                                                            
                                                                    

                                       
                              虽然格鲁伯格稍晚发现了巨磁阻效应，但他发现之后就申请了专利

        在巨磁阻发现后的第6年，IBM的工程师斯图尔特·帕金（StuartParkin）首先利用巨磁电阻，研制出高灵敏度磁头，将磁盘记录密度一下子提高了 17倍。这项新技术使每兆的存储的价格垂直下落，从1997年的20美分一直到2001年不到半美分，全球硬盘的收入也近乎翻了一倍。
        在1980年代末决定性的实验完成后，费尔和格鲁伯格就一路获奖。从新材料McGroddy奖、惠普欧洲物理奖，到物理领域独尊的沃尔夫奖。当然IBM的 帕金也多次名列其中，他们三个人已经一起获得过两次奖。因为实现巨磁阻技术困难重重，当时并不被看好，帕金自然功不可没，而诺贝尔奖却冷落了他。加州大学 纳米尺度科学工程中心主任罗伯特·哈登 (RobertCHaddon)也认为帕金没有得奖值得商榷：“也许是评奖委员会认为，观测到巨磁阻效应更加重要吧。”
        这次诺奖，是进入21世纪以来，第一次没有美国人名字的诺贝尔物理学奖。欧洲人很高兴，这是罕见的、原汁原味的来自欧洲的科学贡献。不过，巨磁阻的最终结 果却是，欧洲人给美国人做了嫁衣——IBM公司首先成功地将巨磁阻从物理实验室请到寻常百姓家。荣誉属于欧洲，最大赢家还是美国人。
        中国也和巨磁阻有着千丝万缕的联系。“其实，在彼得·格鲁伯格1986年的相关研究的论文合作者中就有中国科学家，不久回国之后转向去做其他方面的研 究。”中科院物理所赵见高研究员告诉我们，北大物理系戴道生教授等人在巨磁阻现象发现之前，就注意到了它的重要性，他们“在八八年（1988年）就看到国 外做这个东西，感到很重要，当时报上这个项目，等了六年才给资助。六年，人家产品都出来了”。另外，赵见高研究员提到：“目前60%的磁头都在中国走加工 手续。”
        这或许构成了2007年诺贝尔物理奖的另一层含义：欧洲人的发现，美国人的产业，中国人的加工。

相关连接：
1、http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/phyreading.html
2、http://www.research.ibm.com/research/gmr.html