07年诺贝尔物理学奖的实用价值是什么?

请问2007年诺贝尔物理学奖“巨磁电阻”相关知识~

瑞典皇家科学院9日宣布，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔共同获得2007年诺贝尔物理学奖。他们将分享1000万瑞典克朗（1美元约合7瑞典克朗）的奖金。



这两名科学家获奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻”效应。所谓“巨磁电阻”效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。



瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术”。这项技术被认为是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”。


对上面的相关知识做一点补充：
1.什么是巨磁电阻？
答:在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，其电阻值将发生明显变化，这种现象称为磁致电阻效应，也称磁电阻效应(MR).目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应可以大致分为:由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻(OMR，ordinaryMR)、与技术磁化相
联系的各向异性磁电阻(AMR，anisotropi。MR)、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻(CMR，ColossalMR)、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻(GMR，giantMR)以及隧道磁电阻(TMR，tunnelMR)等.
以上资料是我从一篇论文里找到的。巨磁电阻简而言之就是电阻值对磁场变化巨敏感的一种电阻材料。从论文里看具体的关系是在没有外加磁场时材料程高阻态，有外加磁场（与极性无关）时程低阻态。
2.为什么巨磁电阻效应能应用到计算机硬盘上？
答：计算机硬盘的常用材料是磁性材料，磁头在写数据的时候改变硬盘表面磁性材料单元的极性以记录0和1，在读取数据的时候，需要探头能够识别表面单元的极性，这时就可以用巨磁电阻---考虑一个用巨磁电阻做的探头从一个单元移到另一个单元的过程，如果两个单元表面极性相同，那么探头表面的磁场强度似乎（我也不确切了解这方面原理，只是推测）应当变化不大，于是探头的电阻变化也不大；如果两个单元表面极性相反，那么探头表面的磁场强度似乎应当经历一个从大到小再到大的过程，于是探头的电阻值会出现一个尖峰（探测电阻很容易，只需要加恒定压测电流）。只需要判断有没有这个尖峰出现就可以知道相邻两个单元的极性是否不同，再由某个已知极性的单元就可以推断当前单元的极性。电阻随磁场的变化越剧烈，探头的分辨率必然越好，于是会导致单位面积的硬盘容量越来越大，因此有必要对巨磁电阻理论的创始人心存感恩

瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会10月9日宣布，将2007年度诺贝尔物理奖授予法国科学家艾尔伯-费尔和德国科学家皮特-克鲁伯格，以表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。

扩展资料：
巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。
当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。
早在1988年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。
那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效应。
有趣的是，就在此前3个月，德国优利希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。
参考资料：
百度百科-2007年诺贝尔物理学奖
百度百科-巨磁电阻效应

这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上，具有重要的商业应用价值。

巨磁阻效应在高密度读出磁头、磁存储元件上有着广泛的应用。随着技术的发展，当存储数据的磁区越来越小，存储数据密度越来越大，这对读写磁头提出更高的要求。

巨磁阻物质中电流的增大与减小，可以定义为逻辑信号的0与1，进而实现对磁性存储装置的读取。巨磁阻物质可以将用磁性方法存储的数据，以不同大小的电流输出，并且即使磁场很小，也能输出足够的电流变化，以便识别数据，从而大幅度提高了数据存储的密度。

巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上。1994年，IBM公司研制成功了巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍，从而使得磁盘在与光盘的竞争中重新回到领先地位。目前，巨磁阻技术已经成为几乎所有计算机、数码相机和MP3播放器等的标准技术。

　　10月9日，瑞典皇家科学院宣布，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因先后独立发现了“巨磁电阻”效应，分享2007年诺贝尔物理学奖。“阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔发现的‘巨磁电阻’效应造就了计算机硬盘存储密度提高50倍的奇迹。其研究成果在信息产业中的商业化运用非常成功。”中科院半导体所集成技术工程研究中心主任杨富华如是说，“看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大。”

　　“巨磁电阻”效应是指在一定的磁场下电阻急剧变化，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍。20世纪90年代，人们在多种纳米结构的多层膜中观察到了显著的“巨磁电阻”效应，巨磁电阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景。1994年，ＩＢＭ公司研制成“巨磁电阻”效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍。1997年基于“巨磁电阻”效应的读出磁头研制成功，很快成为标准技术。即使在今天，绝大多数读出技术仍然是“巨磁电阻”的进一步发展。利用“巨磁电阻”效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器，由于其具有可在无电源的情况下继续保留信息的优点，已经成为计算机、手机、数码相机、ＭＰ3等电器必备的存储元件。

　　点评：诺贝尔物理学奖旨在奖励那些对人类物理学领域里作出突出贡献的科学家。先后有5位华人获得过诺贝尔物理学奖，他们都是美籍华人，而至今还没有国籍为中国的人获得过诺贝尔物理学奖。近年来，我国科学技术事业全面繁荣发展。基础科学研究得到了切实加强，总体水平和研究能力大幅度提高。但从总体来看，我国的基础研究与先进国家之间还存在较大的差距。有关研究表明，我们仅有15％的学科接近世界先进水平，其余85％的学科与世界先进水平有较大差距。导致基础研究能力薄弱的原因很多，但最根本的原因还在于对基础研究的先导性、重要性认识不够，对基础研究的投入长期不足。加强基础科学研究是提升我国科技创新能力的前提和关键，期待着有生之年能够看到我国的科学家获得诺贝尔物理学奖

3 巨磁电阻器件
运用GMR效应制成了许多实用的磁电子器件，它是近几年才出现的新型高技术产品，是采用纳米制造技术把微小尺寸的磁性元件与传统的半导体器件结合在一起，得到全新的或者高功能的器件，它们是：
3.1 SV-GMR磁头和传感器
构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀（SpinValve）元件。它的基本结构是由钉扎磁性层（例如Co）、Cu间隔层和自由磁性层（例如NiFe等易磁化层）组成的多层膜。钉扎层的磁矩固定不变，由于钉扎层的磁矩与自由磁层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SV-GMR元件的电阻值改变，进而使读出电流发生变化。为了提高SV元件的灵敏度，必须把自由磁层做得很薄。但是，这样又将导致界面传导电子的不规则反射而降低电阻的变化率。因此，后来又增设了一层氧化物，使电子成镜面反射，故而又把这种元件叫做“镜面SV元件”。从2001年起，GMR磁头制造商正式采用镜面SV元件。据报告，用这种镜面SV GMR磁头，可以读出100Gbpi面记录信息。
1995年，在用绝缘隧道势垒层代替SV元件中的Cu间隔层时，发现了室温自旋相关隧道（SDT）效应，称为隧道结磁电阻（TMR）效应。目前，由这种现象感生电阻的变化率已高达40％，是GMR效应的数倍至10倍，较之GMR元件，检测灵敏度有很大的提高。现在正在积极研究和开发这种TMR元件。
实际上，磁头是一种检测磁场强弱、把磁信号变换成电信号的磁传感器。使用软磁合金薄膜，利用其磁电阻（MR）效应工作的磁传感器，除了用作磁记录读出磁头外，还在检测电流、位置、位移、旋转角度等方面获得了广泛的应用。运用SV-GMR元件的磁传感器，检测灵敏度比使用MR元件的器件高1至数个量级，更容易集成化，封装尺寸更小，可靠性更高。它不仅可以取代以前的MR传感器，还可以制成传感器阵列，实现智能化，用来表述通行车辆，飞机机翼、建筑防护装置或管道系统中隐蔽缺陷的特征，跟踪地磁场的异常现象等。还有人提出可以作为抗体和生物标本检验的传感元件，应用范围较之MR传感器显著扩大。当前，GMR传感器已在液压汽缸位置传感、真假纸币识别、轴承编码、电流检测与控制、旋转位置检测、车辆通行情况检测等领域得到应用。在军事上，GMR传感器有着更加重要的应用价值。美国军方正在研制高g军火用捷联式（Strop Down）MEMS传感器，用在制导、导航和控制（GN＆C）或时空位置信息（TSPI）中，为测评部门进行飞行中的诊断和用于惯性测量（IMU）。按陆军的“加固次小型化遥测装置和传感系统（HSTSS）”计划，将提供一大宗商品性成品和组装技术，用于诊断高g和高自旋军火，如火炮、导弹、坦克等。ARL完成了MEMS压力、加速度、角速度和磁场传感器的若干地面和飞行实验。用磁场传感器可以推断与磁场相关的角速度，且简便易行。1996年，ARL用遥测装置和MR磁场传感器（如测自旋速率的Honeywell1002,SCSA50型），检测120mm动能飞弹。在他们新近开发的遥测精密跟踪插塞(20×35mm）中，使用了新的GMR传感器，成功地用于105mm动能训练飞弹试验。
3.2 巨磁电阻随机存取存储器（MRAM）
这是采用纳米制造技术，把沉积在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成图形阵列，形成存储单元，以相对两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“1”和“0”；与半导体存储器一样，是用电检测由磁化状态变化产生的电阻值之差进行信息读出的一种新型磁存储器。给导体图形加上脉冲电流，只使两磁性层中的一层（自由磁层）磁化反转，完成信息写入。在用SV-GMR膜作存储单元时，由于其中一磁性层的磁化被反铁磁性层（钉扎层）固定在一个方向上，所以，存储器只用另一层的磁化反转工作。这样，在读出时一旦记录的信息被消去（破坏读出），只要把两磁性层做成厚度不同或者矫顽力值不同的准SV-GMR膜，通过调节工作电流，就能够以各磁性层单独地磁化反转达到非破坏读出。为了有选择地将信息写入2元排列的存储单元群，使用由字线和位线电流产生的合成磁场来实现。目前认为，读信息时单元选择最有希望的是CMOS-FET电路；它基本上是用磁性体代替DRAM中的电容器构成的。在实际的MRAM中，尚需加上位地址指定编码电路、施加脉冲电流的驱动电路及读出用传感放大电路等

巨磁电阻效应及其应用
2007年07月27日 05:03　来源: 《国际电子变压器》2007年7月刊　作者： 余声明
1 前言
磁性金属和合金一般都有磁电阻效应，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻发生改变的现象。所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧变化而比常规磁电阻要大一个数量级以上的效应，是近十多年来发现的一种新现象。
在过去十多年中，已经发现了三种技术上可行的磁电阻：“巨磁电阻”（Giant Magneto-Resistive，GMR）、“超巨磁电阻”（Colossal Magneto-Resistance，CMR）和“穿隧磁电阻”（Tunneling Magneto-Resistive，TMR）。它们都具有三层结构：上下两层为磁性层引发电子自旋、产生磁场的层级；中间为非磁性层，其功能是产生变化的电阻。不同类型的磁电阻的非磁性层所使用的材料有所不同：GMR使用的是金属铜，CMR使用的是稀土锰氧化物，TMR则是使用氧化铝。
本文只就GMR效应、器件与应用作一论述。
2 巨磁电阻效应
1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间耦合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现其Δρ/ρ在4.2K低温下可达50%以上，由此提出了GMR效应的概念， 在学术界引起了很大的反响。由此与之相关的研究工作相继展开，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层间耦合多层膜。1988年后的3年，人们便研制出可在低磁场（10-2～10-6T）出现GMR效应的多层膜如[CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]等结构 ，此后更掀起了GMR效应的研发热潮。
GMR是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。三层结构的与自旋有关的输运性质如图1所示，上下两层为铁磁材料，中间夹层是非磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的。现在可以制造出对小的磁场就能得到很大电阻变化的材料，并且可以在室温下工作。
巨磁电阻效应从发现到器件的商品应用也是一个迅速转化的过程。现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域，还出现了许多GMR 器件，如磁盘驱动器的读写磁头和随机存储器（RAM）等。
磁电子新技术的实用化，源于纳米磁性材料和纳米制造技术的成功开发。发现GMR效应后，在应用电子随机自旋度的道路上迈开了第一步。最近10多年来，对自旋输运电子技术的应用开发取得迅速的进展，收到明显的经济效益和社会效益。1995年，美国NVE公司开始制造和销售GMR电桥元件，1997年推出制作在半导体芯片上的数字式GMR传感器；1998年IBM公司开发成功自旋阀（SV）GMR读出磁头并正式上市，使硬磁盘驱动器（HDD）的面记录密度提高到20Gbpi。据统计，目前这种磁头已占领磁记录磁头市场份额的95％，每季度的产值可达10亿美元。2000年，富士通公司开发出记录密度达56.3Gbpi的SV GMR磁头；1998年，西门子公司开发的旋转检测GMR传感器上市；从1999年至2001年，美国的IBM、摩托罗拉，德国的Infineon等公司先后研制成功实用的MRAM芯片。
美国国防部高级研究计划局（DARPA）于1995年创立了一个联合企业，并拟订了一个正式的DARPA计划——“Spintronics"（自旋电子技术）。该项计划的核心内容是应用GMR效应，开发各种磁传感器和非易失存储器。同时，还拥有开发GMR以外的其他器件的特许权，其中包括自旋相关隧道结构及实用的磁性氧化物。DARPA计划排定日程，将在以后的几年内制造出1MbitMRAM芯片，开发出实用的军用和民用磁传感器和磁存储器。同时，着手Spin - FET、Spin -LED自旋共振隧道效应器件、自旋相关器件和自旋量子化器件等多种新型磁电子器件的研究与开发。
目前磁电子技术的实用化进程可以说是日新月异

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