都有為：專注磁學(xué)，成就有為人生

都有為（1936— ）

磁學(xué)與磁性材料專家，南京大學(xué)物理系教授，中國科學(xué)院院士。1936年10月出生于浙江省杭州市，1957年于南京大學(xué)物理系畢業(yè)后留校任教。長期從事磁學(xué)和磁性材料的教學(xué)和研究工作，在錳鈣鈦礦化合物的大磁熵變效應(yīng)、錳鈣鈦礦化合物小顆粒體系中的隧道型磁電阻效應(yīng)和磁性納米微粒的小尺寸效應(yīng)與表面效應(yīng)，以及顆粒膜的巨磁電阻效應(yīng)、磁光效應(yīng)、反?；魻栃?yīng)與微結(jié)構(gòu)的依賴性等方面取得重要成果。2005年當(dāng)選中國科學(xué)院院士。2007年獲何梁何利科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)。

1963年4月，第一屆全國磁學(xué)及磁性材料會(huì)議召開，國內(nèi)最早成立磁學(xué)專業(yè)的五所高校的教師在無錫太湖之濱合影（前排左起：山東大學(xué)郭貽誠、北京大學(xué)葉企孫、南京大學(xué)都有為、吉林大學(xué)張?jiān)Ｆ眨?/p>

1987年夏，都有為（中）與研究合作者邱子強(qiáng)（左一）、唐煥在美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)校園內(nèi)合影。

上世紀(jì)90年代初，都有為在做實(shí)驗(yàn)。

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■楊堅(jiān)

在杭州西湖邊的茅家埠，一座古色古香、黑瓦白墻的宅院頗為引人注目，這就是向公眾開放的都錦生故居。愛國實(shí)業(yè)家都錦生當(dāng)年曾織出我國第一幅絲織風(fēng)景畫“九溪十八澗”，并創(chuàng)下杭州絲綢業(yè)的輝煌。

鮮為人知的是，從這座古老宅院里還走出了一位杰出的科學(xué)家，他為中國的磁學(xué)與磁性材料帶來一系列具有開創(chuàng)意義的研究成果，在鐵氧體、錳鈣鈦礦化合物的大磁熵變效應(yīng)、顆粒膜的巨磁電阻效應(yīng)等研究中發(fā)揮了重要作用。他就是南京大學(xué)物理系教授、中國科學(xué)院院士都有為。

都有為1936年10月出生于浙江省杭州市，出生后不久因日軍侵略而家道中落。在艱苦環(huán)境下他自強(qiáng)不息，克服重重困難，利用一切機(jī)會(huì)勤奮學(xué)習(xí)，相繼完成小學(xué)、中學(xué)的學(xué)業(yè)，并考取南京大學(xué)物理系，從此走上了與磁學(xué)結(jié)伴的人生之路。

家風(fēng)熏陶，從小愛讀書

都有為出生時(shí)家境尚為殷實(shí)。二哥都錦生在茅家埠的家中開辦一定規(guī)模的絲織廠，建有兩幢二層小樓，有一個(gè)大宅院，那時(shí)的都家被當(dāng)?shù)厝朔Q為“墻門里面的”（其居現(xiàn)被改建為“都錦生故居”，愛國主義教育基地）。都錦生還出資興辦茅家埠小學(xué)，讓周鄰的孩子來免費(fèi)讀書。1937年12月，日本侵略軍攻陷杭州，都家遭到日軍洗劫，一家人到處躲避。局勢(shì)安穩(wěn)后，都錦生出于民族氣節(jié)，不愿出任杭州日偽政府的商會(huì)會(huì)長，生意興旺的絲織廠倒閉，從此家道中落，都錦生也因奔波操勞而英年早逝。

家庭發(fā)生變故后，成年子女外出尋求發(fā)展，都有為和父母及其他年幼的兄弟姐妹則留在茅家埠老宅生活。父親年老且有病在身，兄弟姐妹又多，全靠母親一人忙里忙外。家里的四畝茶園收回后，母親帶著家人采茶、炒茶、賣茶，以貼補(bǔ)家用；另有十余畝地雇人耕種，解決了全家的溫飽。

雖然局勢(shì)不好，到了該讀書的年齡，都家還是盡可能讓孩子們?nèi)W(xué)校讀書，恰如家中正屋里的對(duì)聯(lián)所寫，“子孫才，族將大”。

都家有個(gè)書房，藏書豐富，有古今中外的小說，也有其他各種各樣的新奇書籍。因?yàn)楦赣H愛看書，家中也形成一種風(fēng)氣——沒事的時(shí)候大家就去書房里看書。都有為還沒上學(xué)、識(shí)字時(shí)，就愛與姐姐一起到書房。他有時(shí)候淘氣，把書房里的化學(xué)試劑拿出來，倒過來倒過去玩，還把水銀涂在一只銅球表面，拿到陽光下看那閃閃的銀光而感到樂趣無窮。后來上了學(xué)，他漸漸地也跟哥哥姐姐一樣，喜歡到書房里看書。都家的孩子因?yàn)樽x書多，在鄰居的眼里，他們更孝順、懂事、有禮貌。

不言放棄，結(jié)緣磁學(xué)

1947年，都有為進(jìn)入杭州市立中學(xué)初中部學(xué)習(xí)。當(dāng)時(shí)的杭州市立中學(xué)位于金沙港（現(xiàn)杭州西湖曲苑風(fēng)荷景區(qū)），靠近岳墳，離家較遠(yuǎn)。因家里經(jīng)濟(jì)狀況差，沒有條件住校，都有為只能走讀，每天步行一個(gè)多小時(shí)。

在學(xué)校，都有為接觸到了更多的進(jìn)步書籍、報(bào)刊，在語文老師袁卓爾的影響下，其思想認(rèn)識(shí)也有了很大提升，對(duì)于國家、民族的情感更加深切。

1950年7月初中畢業(yè)后，都有為沒能順利升入杭州市高級(jí)中學(xué)。但他沒有放棄，在家中邊勞動(dòng)邊自學(xué)，于次年2月通過考試，進(jìn)入該校讀書。誰知?jiǎng)偵狭艘荒辏忠蚣彝プ児识輰W(xué)。在家參加勞動(dòng)期間，都有為沒有丟下書本，心里一直想著重返課堂。半年后投考杭州私立宗文中學(xué)，直接讀高三，完成高中學(xué)業(yè)后參加高考，在物理老師的建議下報(bào)考南京大學(xué)物理系。

如愿考取南京大學(xué)后，都有為絲毫沒有放松課程的學(xué)習(xí)，而是更加勤奮努力，在施士元、魏榮爵、程開甲、鮑家善、徐躬耦、程濬、周衍柏等學(xué)術(shù)大師的熏陶下，他逐漸展露出自己對(duì)于物理現(xiàn)象和規(guī)律理解上的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)時(shí)很多課程沒有教材，有的教師自己編講義，也沒有多余的紙印好發(fā)給學(xué)生，因此，上課的時(shí)候大家都要拼命記筆記。當(dāng)時(shí)都有為主要靠助學(xué)金生活，有時(shí)放假同學(xué)們回家，他就留在學(xué)校里看書。

除了學(xué)習(xí)專業(yè)課程，他在緊張的學(xué)習(xí)之余還閱讀了《鋼鐵是怎樣煉成的》《戰(zhàn)爭(zhēng)與和平》等文學(xué)作品，看得如癡如醉。

1956年，南京大學(xué)物理系建立磁學(xué)專業(yè)，學(xué)習(xí)蘇聯(lián)模式成立教研室，微波物理學(xué)家鮑家善任磁學(xué)教研室第一屆主任，當(dāng)時(shí)參加籌建的還有翟宏如、蔡魯戈、胡洪銓等人。都有為成為磁學(xué)專業(yè)第一屆學(xué)生，畢業(yè)論文由鮑家善指導(dǎo)，從此與磁學(xué)結(jié)緣。

1957年，都有為大學(xué)畢業(yè)后留校，在物理系磁學(xué)組任助教。從那時(shí)起，雖因時(shí)代跌宕歷經(jīng)坎坷，但他始終沒有離開過磁學(xué)，最終組建了自己的磁學(xué)科研組，為我國的磁學(xué)和磁性材料研究上下求索，作出了突出貢獻(xiàn)。

白手起家，當(dāng)起“破爛王”

留校工作后不久，和那個(gè)年代所有的知識(shí)分子一樣，都有為中斷了教學(xué)、科研，到基層參加勞動(dòng)鍛煉等。

那個(gè)時(shí)期科學(xué)研究與學(xué)術(shù)活動(dòng)還在斷斷續(xù)續(xù)進(jìn)行。1963年4月，由中國電子學(xué)會(huì)、中國物理學(xué)會(huì)合辦的第一屆全國磁學(xué)及磁性材料會(huì)議在江蘇省無錫市召開，來自全國各地高校、研究所、企業(yè)等65家單位的114位代表參加了這次會(huì)議，提交論文85篇。會(huì)后，國內(nèi)最早成立磁學(xué)專業(yè)的五所高校的教師在太湖之濱的蠡園相聚并合影留念，其中有中國磁學(xué)創(chuàng)始人、北京大學(xué)的葉企孫和山東大學(xué)的郭貽誠等人，都有為也參加了此次會(huì)議。

都有為的磁學(xué)研究是從一間地下室開始的。自1972年工農(nóng)兵學(xué)員進(jìn)校后，南京大學(xué)逐步恢復(fù)教學(xué)秩序。當(dāng)時(shí)物理系在北大樓的地下室有一間磁學(xué)教研室公用的實(shí)驗(yàn)室，約30平米，但里面除了幾臺(tái)簡易高溫爐外空無一物，根本沒有經(jīng)費(fèi)買設(shè)備。都有為和同事陸懷先便當(dāng)起了“破爛王”，專門到化學(xué)系的走廊撿拾丟棄的瓶瓶罐罐，拿回實(shí)驗(yàn)室，用化學(xué)方法制備磁性顆粒樣品。他們還自己制備、動(dòng)手做測(cè)量儀器。實(shí)驗(yàn)室冬冷夏熱，黃梅天里甚至要穿雨靴進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作……

就是在這艱苦條件下，他們白手起家——磁記錄顆粒、永磁磁粉等各種樣品陸續(xù)從“土”設(shè)備中出爐，每年都有兩篇論文在當(dāng)時(shí)國內(nèi)物理界最高水平的學(xué)術(shù)刊物《物理學(xué)報(bào)》上發(fā)表。

服務(wù)基層，解企業(yè)燃眉之急

“文革”結(jié)束后，都有為更是分秒必爭(zhēng)。科研之外，他還積極參與江蘇省磁性材料的生產(chǎn)，為企業(yè)無償服務(wù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，解決永磁鐵氧體干壓取向成型中提高磁粉在磁場(chǎng)中的取向度的難題等。

1982年，生產(chǎn)揚(yáng)聲器和微電機(jī)使用的永磁鐵氧體產(chǎn)品的浙江諸暨磁性材料廠（以下簡稱諸暨廠），因?yàn)榧夹g(shù)力量薄弱，質(zhì)量上不去，產(chǎn)品大量積壓、報(bào)廢，企業(yè)瀕臨倒閉。一次，廠方偶然看到都有為撰寫的《永磁鐵氧體工藝進(jìn)展》《永磁鐵氧體的基礎(chǔ)研究》兩篇文章，受到啟發(fā)。于是，廠長沈乃玄專程趕往南京大學(xué)懇請(qǐng)都有為擔(dān)任該廠的技術(shù)顧問。

都有為從當(dāng)年9月首次來到諸暨廠以后，在不影響校內(nèi)教學(xué)、科研任務(wù)的前提下，先后7次前往該廠講學(xué)，課后輔導(dǎo)技術(shù)骨干，回答職工提出的問題。除講課外，他還多次給諸暨廠寄講義、資料，并在一年多時(shí)間里陸續(xù)給工廠寫了數(shù)十封信，不厭其煩地回答各種技術(shù)難題，提出注意事項(xiàng)。在普遍提高職工技術(shù)素質(zhì)的基礎(chǔ)上，他還幫助廠方建立了攻關(guān)小組，后來又推薦南京盛振翔工程師參與技術(shù)工作，把“提高鋇鐵氧體磁能積研究”作為突破口，把改造陳舊設(shè)備作為提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

經(jīng)過一年多時(shí)間的努力，1983年12月，諸暨廠通過了磁能積研究課題的技術(shù)鑒定。自此，該廠因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量的提高而重新打開銷路，半年盈利27萬元，并有7種產(chǎn)品出口。1984年，《光明日?qǐng)?bào)》《浙江日?qǐng)?bào)》《新華日?qǐng)?bào)》等媒體紛紛對(duì)此進(jìn)行報(bào)道。

2021年4月7日，都有為重訪諸暨廠（現(xiàn)為諸暨安特磁性材料公司）。當(dāng)年差點(diǎn)倒閉的工廠而今早已做強(qiáng)做大，永磁鐵氧體粉體生產(chǎn)量居國內(nèi)首位，年產(chǎn)值逾5億元。

立足前沿，開展高溫超導(dǎo)氧化物研究

1985年年底，都有為參加了“中美凝聚態(tài)物理合作計(jì)劃”，赴美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)任訪問學(xué)者。

1986年初，適逢高溫超導(dǎo)氧化物材料研究的興起，都有為和南大校友、約翰斯·霍普金斯大學(xué)CUSPEA留學(xué)生肖鋼（現(xiàn)為美國布朗大學(xué)教授、物理系主任），對(duì)如何制備高溫超導(dǎo)氧化物的樣品進(jìn)行探討，并一起制備樣品。當(dāng)時(shí)，都有為提出了對(duì)高溫超導(dǎo)化合物釔鋇銅氧化物（YBa2Cu3O6+y）進(jìn)行3d過渡族元素代換銅（Cu）的研究方向；與肖鋼合作完成的論文發(fā)表在美國《物理評(píng)論 B》（1987），對(duì)理解高溫超導(dǎo)的機(jī)理以及進(jìn)一步開展高溫超導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)提供了啟示，至今已被414篇SCI論文引用。

當(dāng)時(shí)，都有為敏銳意識(shí)到這是非常重要的研究方向，于是便向其合作導(dǎo)師、從事穆斯堡爾效應(yīng)的專家沃克（Walker J. C.）教授提出開展高溫超導(dǎo)材料研究的建議。沃克教授對(duì)此欣然采納，并讓邱子強(qiáng)和唐煥二位博士生與都有為一起開展相關(guān)研究。都有為和他們用磁性稀土離子釓（Gd）取代Y離子，并采用微量的鐵的同位素57Fe置換銅（Cu）作為探針元素，用穆斯堡爾譜學(xué)的方法研究高溫超導(dǎo)體中的磁有序問題，這是一個(gè)新的研究方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明反鐵磁有序與超導(dǎo)性共存的現(xiàn)象，這與本世紀(jì)初提出的相分離機(jī)制相一致，為了解高溫超導(dǎo)氧化物的超導(dǎo)機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)的啟示。

在美國三年，都有為與其他科研人員合作，共發(fā)表論文20余篇，被SCI刊物引用830余次。

一路攀登，摘累累碩果

1988年底回國后，都有為放棄了在國外的高溫超導(dǎo)材料研究，重返磁學(xué)與磁性材料領(lǐng)域，開展磁性超細(xì)微粒材料的研究。

回到南京大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，依舊是一窮二白的老樣子。但就在這樣的條件下，都有為帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)先后進(jìn)行了磁性液體的研制與應(yīng)用開發(fā)，高密度磁記錄材料、金屬（合金）、氧化物超細(xì)微粒的研制與性能研究等，為后續(xù)深入進(jìn)行的納米材料研究奠定了基礎(chǔ)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

1992年，憑借對(duì)磁性納米材料的研究經(jīng)驗(yàn)和成果的積累，都有為科研組成功爭(zhēng)取到國家“八五”攀登計(jì)劃中的“納米材料科學(xué)”項(xiàng)目，由中科院上海硅酸鹽研究所嚴(yán)東生院士和南京大學(xué)馮端院士任該項(xiàng)目首席科學(xué)家。以此為契機(jī)，都有為帶領(lǐng)磁學(xué)科研組在國際上較早地開始了納米材料磁性的研究，先后承擔(dān)多項(xiàng)國家、省部級(jí)科研項(xiàng)目，購置了多種納米材料的合成、性能檢測(cè)設(shè)備，使科研組的科研工作條件有了質(zhì)的飛躍，取得了一系列創(chuàng)新性的研究成果。

1995年，中科院固體物理研究所的張立德研究員與都有為共同出任“九五”攀登預(yù)選計(jì)劃“納米材料科學(xué)”首席科學(xué)家；1999年，都有為又爭(zhēng)取到了“973”項(xiàng)目“納米材料和納米結(jié)構(gòu)”的“08子課題”。

隨著科研條件逐步改善，都有為團(tuán)隊(duì)的研究也在不斷地發(fā)展和深入，研究方向延伸到納米磁學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，先后開展了C60、納米螺旋碳管、石墨烯、納米顆粒、納米線、顆粒膜、納米微晶等納米材料磁性的研究，開展了類鈣鈦礦氧化物、納米結(jié)構(gòu)材料，以及合金材料的巨磁電阻效應(yīng)、磁熱效應(yīng)、磁彈效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)等研究工作，在國內(nèi)較早開展顆粒膜的磁光效應(yīng)與磁電阻效應(yīng)、反?；魻栃?yīng)的研究，進(jìn)而又進(jìn)入到自旋電子學(xué)的領(lǐng)域，開拓了半金屬與稀磁半導(dǎo)體材料的研究，并取得了一系列創(chuàng)新性成果。

開拓求新，突破鈣鈦礦化合物研究

開拓新的研究方向與領(lǐng)域一直是科學(xué)工作者追求的目標(biāo)。

上世紀(jì)90年代，鈣鈦礦化合物龐磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，在國內(nèi)外掀起了繼高溫超導(dǎo)氧化物后的新一輪研究熱潮。

此前，都有為即已安排學(xué)生做過鐵氧體磁熵變的研究，在調(diào)控居里溫度與磁熵變方面存在一些矛盾，此時(shí)也注意到鈣鈦礦化合物的居里溫度可以通過離子代換很方便地進(jìn)行調(diào)控，于是都有為便安排學(xué)生郭載兵的博士論文的研究工作由永磁鐵氧體轉(zhuǎn)向“鈣鈦礦化合物的磁熵變”。幸運(yùn)的是，第一次試驗(yàn)就發(fā)現(xiàn)與金屬釓相當(dāng)?shù)母叽澎刈冃?yīng)，從而為鈣鈦礦化合物的研究開拓了新的研究方向。研究成果很快發(fā)表在國際著名的《物理評(píng)論快報(bào)》（1997），引起國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注，至今已被631篇SCI論文所引用。

磁學(xué)界權(quán)威性系列叢書《磁性材料手冊(cè)》第12卷第四章《在相變點(diǎn)附近的磁卡效應(yīng)》一文中，將都有為科研組的論文作為鈣鈦礦化合物磁制冷工質(zhì)的代表性工作加以介紹，肯定了他們開拓此領(lǐng)域所作的貢獻(xiàn)，并將鈣鈦礦氧化物列為新型高溫磁制冷工質(zhì)。著名磁學(xué)家Coey在《物理學(xué)進(jìn)展》（1999）發(fā)文時(shí)引用該文并指出：“室溫附近，中等磁場(chǎng)下，錳鈣鈦礦的磁熵變可與釓（Gd）相當(dāng)，其居里溫度通過組成可調(diào)，化學(xué)穩(wěn)定性佳、價(jià)廉，使混合價(jià)錳鈣鈦礦氧化物成為寬溫區(qū)十分感興趣的磁制冷工質(zhì)?！?/p>

磁熵變效應(yīng)是磁制冷材料的最重要特性，是新型高溫磁制冷機(jī)實(shí)用化的關(guān)鍵之一，高溫磁制冷機(jī)一旦得到廣泛應(yīng)用研究，將引發(fā)一場(chǎng)工業(yè)革命。這就是都有為這些基礎(chǔ)研究工作者的研究動(dòng)力。

除了組織科研組系統(tǒng)開展鈣鈦礦化合物的磁熵變研究外，都有為又將研究領(lǐng)域擴(kuò)展到金屬、合金以及半金屬材料領(lǐng)域，希望通過不懈的努力，爭(zhēng)取高溫磁制冷機(jī)最終走向?qū)嵱没?/p>

在進(jìn)行鈣鈦礦龐磁電阻效應(yīng)研究時(shí)，當(dāng)時(shí)研究的溫度范圍均處于居里溫度附近、金屬/絕緣體相變點(diǎn)，所研究的樣品大多為大晶粒的多晶體，磁電阻效應(yīng)只在居里溫度附近出現(xiàn)峰值。都有為指導(dǎo)博士生張寧重點(diǎn)研究了當(dāng)晶粒尺寸減少到納米尺度時(shí)對(duì)鈣鈦礦龐磁電阻效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)除居里溫度附近的本征龐磁電阻效應(yīng)外，在低溫會(huì)呈現(xiàn)由于晶粒間隧道效應(yīng)產(chǎn)生的隧道磁電阻。這一創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《物理評(píng)論B》（1997），至今已被322篇SCI論文所引用，被大多數(shù)論文引為小顆粒體系的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，晶界隧穿模型被列為兩個(gè)具有代表性的理論之一。

在多晶鋅鐵氧體磁電阻效應(yīng)研究中，都有為的博士生陳鵬意外發(fā)現(xiàn)室溫巨磁電阻效應(yīng)。都有為提出可采用存在反鐵磁耦合層的隧穿物理模型來解釋，后來他采用高分辨電子顯微鏡的觀測(cè)與交換偏置場(chǎng)的測(cè)量，證實(shí)該機(jī)制的正確性。這個(gè)成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》，迄今已被85篇SCI論文引用，該工作被推薦為2002年國際磁學(xué)會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告。

2004年，都有為科研組的研究成果《新型的氧化物磁制冷工質(zhì)與隧道型磁電阻材料》獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

老驥伏櫪，關(guān)注自旋電子學(xué)

這些年來，都有為一直關(guān)注著一門學(xué)科——自旋電子學(xué)，它是研究納米結(jié)構(gòu)的材料中出現(xiàn)的一門全新學(xué)科。電子學(xué)研究以前只考慮電荷，不考慮自旋，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，電子自旋特性同樣可以用到信息存儲(chǔ)上來。因此，在納米結(jié)構(gòu)材料的電子輸運(yùn)過程中，不僅僅要考慮電荷，同時(shí)還要考慮自旋，從而發(fā)展出自旋電子學(xué)的新交叉學(xué)科。

都有為早在上大學(xué)的時(shí)候，正好趕上南京大學(xué)計(jì)算機(jī)教研組的人做計(jì)算機(jī)，需要存儲(chǔ)器件，當(dāng)時(shí)磁學(xué)組安排了幾個(gè)學(xué)生做存儲(chǔ)器用的磁性材料，其中就有都有為。通過這些年的觀察和分析，都有為認(rèn)為，中國要在芯片上實(shí)現(xiàn)“自由”，甚至趕超世界先進(jìn)水平，除了在半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)上加大投入外，自旋芯片也是一條新路。因此，都有為十分重視自旋芯片的研究和應(yīng)用。

2009年，他通過中科院院部呈送報(bào)告給國家相關(guān)部門，希望自旋芯片的研究和產(chǎn)業(yè)開發(fā)能受到重視；2013年年底，他又通過院士建言的方式再次呈交報(bào)告，希望國家層面重視自旋芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體芯片的彎道超車，徹底解決“卡脖子”問題；同時(shí)，他還自愿充當(dāng)“黏合劑”，通過自身的影響和努力，促進(jìn)國內(nèi)相關(guān)的企業(yè)之間、企業(yè)跟高校之間聯(lián)合起來，加強(qiáng)自旋芯片的研發(fā)和應(yīng)用。

雖已進(jìn)入耄耋之年，都有為依然活躍在磁學(xué)和磁性材料科研領(lǐng)域第一線，為中國磁學(xué)事業(yè)的發(fā)展殫精竭慮。從1957年大學(xué)畢業(yè)留校至今，在60多年的磁學(xué)生涯中，都有為始終與國家科技事業(yè)的發(fā)展同頻共振，而自強(qiáng)不息、自主創(chuàng)新的精神也一直貫穿于他的奮斗歷程……

（作者單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人文學(xué)院）

自旋：未來的科技明星

■都有為

磁與電宛如一對(duì)孿生兄弟，難以分離。原子是物質(zhì)的基本單元，原子核以及組成原子核的基本粒子都具有磁矩，但其中中子、微中子等具有磁矩卻沒有電荷。從此角度考慮，磁比電更具有普適性。

然而，人們對(duì)于電的了解更勝于磁。追其原因，人們的日常生活離不開電，但人們沒有進(jìn)一步思考電流是如何產(chǎn)生的。最基本的原理是磁通量的變化產(chǎn)生電流，反之，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此，通常磁與電是相互關(guān)聯(lián)的。

磁的基本單元是自旋磁矩，電荷與自旋都是電子的本征特性。以往人類社會(huì)的發(fā)展，從物理的觀點(diǎn)看來主要利用電子具有電荷的特性，如電工學(xué)奠定了第二次產(chǎn)業(yè)革命（電氣化）的基礎(chǔ)；電子學(xué)與微電子學(xué)奠定了第三次產(chǎn)業(yè)革命（信息化）的基礎(chǔ)，而自旋的作用僅體現(xiàn)在磁性材料及其器件中，例如電氣化中的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等離不開磁性材料。同樣，信息化中儲(chǔ)存信息離不開磁盤、磁帶等。

20世紀(jì)80年代在（Fe/Cr/Fe）n納米多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)開拓了在電子輸運(yùn)過程中通過調(diào)控自旋，顯示與利用自旋特性的新領(lǐng)域，從而產(chǎn)生重要的自旋電子學(xué)學(xué)科。奠基于磁場(chǎng)調(diào)控自旋的特性，利用巨磁電阻效應(yīng)—GMR與隧道磁電阻效應(yīng)—TMR，首先制備成高靈敏度的磁盤讀出磁頭，使磁盤的記錄密度提高千倍，至今保持著信息存儲(chǔ)的主流地位，其產(chǎn)值超過300億美元。此外，各種利用磁電阻效應(yīng)的新穎傳感器脫穎而出，自旋傳感芯片產(chǎn)值70億美元，自旋磁電信號(hào)耦合芯片產(chǎn)值50億美元，其應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣。

鑒于其基礎(chǔ)研究的意義與寬廣的應(yīng)用前景，發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)的法國科學(xué)家Albert Fert與德國科學(xué)家Peter Grünberg獲得了2007年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

繼傳感器實(shí)用化后，與微電子技術(shù)相結(jié)合，采用電流重合法調(diào)控自旋，研發(fā)成磁隨機(jī)儲(chǔ)存器（MRAM），為了降低調(diào)控自旋的磁場(chǎng)電流，利用自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)，采用自旋極化電流直接調(diào)控自旋的磁隨機(jī)儲(chǔ)存器（STT- MRAM）進(jìn)一步降低功耗，使MRAM進(jìn)入到重要的發(fā)展階段。2006年后已步入實(shí)用化，歐洲空客350就采用了MRAM；2012年提出同時(shí)利用電場(chǎng)調(diào)控自旋的低功耗的磁隨機(jī)儲(chǔ)存器（MeRAM）現(xiàn)正處在研發(fā)轉(zhuǎn)向應(yīng)用的階段，上述不同類型的磁隨機(jī)儲(chǔ)存器可統(tǒng)稱為信息存儲(chǔ)與處理用的自旋芯片，可望自旋芯片成為后摩爾定律時(shí)代強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

自旋芯片優(yōu)點(diǎn)如下：非易失性、抗輻射性、高集成度、高運(yùn)算速度、低功耗、長壽命。自旋芯片屬于核心高端芯片，是科技關(guān)鍵核心技術(shù)，可軍民兩用，具有高達(dá)上千億美元的巨大市場(chǎng)前景，有可能成為后摩爾時(shí)代的主流芯片，是高科技的重要戰(zhàn)略領(lǐng)域，當(dāng)引起我國高度重視，急起直追。

20世紀(jì)也許可稱為“電荷”的世紀(jì)，人們充分地調(diào)控電子具有電荷這一自由度，從而實(shí)現(xiàn)了人類社會(huì)電氣化、信息化，創(chuàng)造出從二極管直到超大規(guī)模的集成電路、半導(dǎo)體芯片，奠定了信息社會(huì)的基礎(chǔ)。21世紀(jì)，也許是屬于“自旋”的新世紀(jì)，人們正在充分地利用、調(diào)控電子的另一個(gè)本征的自由度“自旋”，推動(dòng)著社會(huì)邁向新的階段。

本版組稿負(fù)責(zé)人：張佳靜

《中國科學(xué)報(bào)》 (2021-07-01 第8版 印刻)

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