現代磁學的黃金時期
現代磁學在過去的25年時間里進入了黃金時期。每一年幾乎都不平凡，總有一些新鮮有趣的發現引人關注。一些懷疑論者曾在這個發展過程中給出的若干悲觀預言都一一被超越。
三十年前的1984年，當我還是霍普金斯大學一個年輕教授的時候，一位著名的物理大師X教授(這里隱去他的姓名)來到霍普金斯大學講學。其間我們偶遇，X教授問我：“你現在在哪一個領域里做研究？”我答道：“磁學。”他說：“磁學已經死了！”他又問：“你還做什么其他研究？”我答道：“超導。”他驚叫道：“超導也死了！”不言而喻，當時那種驚人而令人沮喪的場景至今還記憶猶新。然而，出乎所有人的預料，很快在1986年發現了高溫銅氧化物超導體，1988年發現了巨磁電阻(GMR)效應。這兩大事件顯著改變了凝聚態物理的進程及其技術景觀，并分別于1987年和2007年獲得了諾貝爾物理學獎。事實證明X教授是大錯特錯了，而我們在過去的25年時間里已經進入了現代磁學的黃金時期。
這里，讓我從1986年開始，大致按照時間先后的順序提及一些重要的進展：
? ?層間耦合；
??納米多層膜和顆粒膜中的巨磁電阻(GMR)效應；
??交換偏置；
??電流垂直平面(CPP)的巨磁電阻(GMR)效應；
??自旋閥GMR傳感器；
??鐵磁性納米線；
??基于AlOx勢壘的磁性隧道結（MTJ）；
??龐磁電阻(CMR)效應；
??用于測量自旋極化率（P）的安德列夫(Andreev)反射譜；
??自旋轉移力矩(STT)效應及其磁翻轉和微波振蕩；
??Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)微磁學模擬；
??具有100%自旋極化率的半金屬，如CrO2；
??磁隨機存取存儲器(MRAM)；
??多鐵性材料；
??納米環和納米環磁性隧道結；
??稀磁半導體；
??有機自旋電子學；
??具有巨大隧穿磁電阻效應的MgO勢壘磁性隧道結；
??自旋霍爾效應(SHE)；
??逆自旋霍爾效應(ISHE)；
??磁疇壁運動；
??純自旋流現象；
??橫向自旋閥；
??自旋泵浦；
??石墨烯自旋電子學；
??自旋塞貝克效應；
??Rashba效應；
??自旋軌道耦合作用及其磁翻轉；
??Skyrmion材料；
??電壓調控的磁翻轉；
??拓撲絕緣體，等等。
每一年幾乎都不平凡，總有一些新鮮有趣的發現引人關注，并且上述這些專題內容基本上都被涵蓋在這部書中。
人們常說微電子學使現代技術得以實現，但這只說對了一半兒。更確切地講，微電子學和高密度數據存儲(HDDS)是現代技術發展的兩個主要驅動力。它們共同使得過去只能由專業研究機構擁有的房屋尺度大小的計算機，變成了現在人人可以擁有的筆記本電腦和真正便攜式的各種掌上電腦(PDA)。自1947年以來，每單位集成電路所含晶體管的數量按摩爾定律穩定增長，至今已超過1010/IC。同樣引人注目的是，1955年磁記錄開始應用以來，高密度數據存儲(HDDS)技術的記錄密度持續增長至今天，也遠高于摩爾定律的預測、超越了1012bit/in2。
法國科學家阿爾貝·費爾和德國科學家彼得·格林貝格爾因發現巨磁電阻（GMR）效應共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。GMR效應引發了硬盤“大容量、小型化”的革命。
非常有趣的是，一些懷疑論者曾在這個發展過程中給出過若干悲觀的預言。當巨磁電阻(GMR)效應發現后，一些人認為，由于需要非常大的磁場GMR效應無法應用，但隨后自旋閥式GMR器件巧妙地避免了這個困境。當采用超導量子干涉儀(SQUID)探測系統第一次觀測到具有非常小電阻的電流垂直膜面(CPP)的GMR效應后，一些悲觀者又宣稱CPP-GMR效應永遠不會被應用。但今天，三維尺度均為幾十納米的CPP-MR磁讀頭被廣泛地使用在硬盤驅動器(HDD)之中。在20世紀90年代，有一個最高磁記錄密度不可能超過40Gb/in2 的著名終極預言。該預言僅盛傳了幾年之后就被無情地悄然打破。今天，磁記錄密度已經超過上述預言極限值的30倍，并且仍在繼續攀升。公正地說，該預言并沒有真正預見到現代磁學中一系列的發現對高密度數據存儲(HDDS)的推進所起到的作用；不過，主動做出預言與占卜有一點相似，它們均具有一定的風險。
這本書由自旋電子學領域里的眾多前沿專家共同編寫，收錄了上述現代磁學黃金時期那些令人興奮的、方興未艾的持續研究進展。我個人也熟知這本書里的許多作者，并且受益于與他們之中幾位作者的合作研究。這部書的唯一缺憾是它采用中文撰寫，這會讓那些非漢語科學家們無法分享它的豐富內容。
本文摘編自錢嘉陵先生為韓秀峰等編著《自旋電子學導論》(上、下卷)一書所作的序言。文中圖片及圖注來源于網絡。
錢嘉陵（Chia-Ling Chien）約翰·霍普金斯大學物理學首席教授，材料科學與工程研究中心主任，畢業于臺灣東海大學，在卡內基·梅隆大學獲得物理學碩士和博士學位。他是美國物理學會會士、美國科學促進會（AAAS）會士，同時也是南京大學、蘭州大學、復旦大學等高校名譽教授，亞洲聯合磁學協會第一人。2004年獲得美國物理學會的David Adler獎。
自旋電子學是凝聚態物理研究中非常重要的新興學科和研究領域之一，其將電子自旋相關效應與傳統微電子學相結合，為研發具有全新功能的下一代微電子器件提供了前所未有的機遇。《自旋電子學導論》由工作在自旋電子學研究領域里的國內外50余位學者撰寫而成。全書分兩卷、共28章，各章均由該領域富有研究經驗的知名專家負責，較全面地介紹和論述了目前自旋電子學研究領域中的各個重要研究方向及其進展，并重點關注自旋電子學的關鍵材料探索、物理效應研究及其原理型器件的設計開發和實際應用。
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本文由微信公眾號科學出版社（ID:sciencepress-cspm）授權轉載，由材料人網大城小愛編輯整理，材料人專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。
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