中國科學院院士都有為：磁性材料進展

地球有個大磁場，它是地球的保護層。假如沒有這個磁場，宇宙的高能量磁就會不斷干擾地球，使得地球的生物圈都不能存在。

首先講磁性材料的基本概念。磁性材料是基礎性功能材料。從人類歷史的產業發展來看，第一次產業革命靠蒸汽機；第二次產業革命靠電氣化，發電機、電動機主要是通過改變磁場產生動力，因此第二次產業革命與磁電緊密相關。第三次產業革命以計算機、原子能為主，表明看與磁無關，但是信息的存儲靠磁盤，工業領域要用到多種軟磁材料、永磁材料。第四次產業革命以納米科技為主導，其中包括納米磁性材料。

我們為什么要重視產業革命？因為差不多每隔100年的產業革命是重新洗牌的機會，抓住產業革命的機遇，則可能從落后國家變成先進國家。20世紀70年代重視微電子技術的國家，如今都已成為發達國家。現在重視納米科技的國家，很可能成為下一世紀的先進國家。習近平主席在兩次院士報告會上都提到創新問題，提出科技是國家創新之基，創新是民族進步之魂。科技是國之利器，國家賴之以強，企業賴之以贏，人民生活賴之以好。

我們抓住產業革命，依靠創新跳出危機就是贏家。中國制造2025，甚至制造2050規劃都出來了，這些都與磁有關。互聯網、大數據、云計算首先要把數據儲存起來，數據靠什么存？現在靠磁盤，但磁盤也快要淘汰了。后摩爾時代芯片是什么，很可能就是磁性材料。

磁性大體上分為三大類，第一類是永磁材料，第二類是軟磁材料，第三類是硬磁材料。原來的磁盤以后要被淘汰，變成固態儲存系統，現在用在磁盤上的永磁產量馬上就減少。我們要抓住這個機遇，把芯片市場在中國建立起來。芯片是現代化的心臟，我們必須要控制。否則，芯在國外，國外一卡，我們的心臟就會停止跳動了。這是一個大機遇，國外的發展勢頭很猛，我們的差距也很大。

2014年中國稀土永磁產量12萬噸，超過全球85%，國外沒辦法與我們競爭。但是我們無法穿過他們的專利壁壘。全世界磁性材料生產量有多少噸，按照全世界65億人計算，平均每人每年用到多少磁性材料。這個統計數據的意義在于，假如每人磁性材料的用量大于平均數，意味著你是發達國家，假如低于平均數，你就是欠發達國家或是發展中國家。

其次講磁滯回線表征的磁性材料。主要有永磁、軟磁和磁記錄，現在我主要講永磁和軟磁。

永磁材料最主要的是碳鋼、鐵氧體和稀土永磁。全世界主要永磁材料的產量在增加。現在永磁有一個新進展是把軟磁和永磁兩個復合，這在很多方面都有了新的成果。稀土永磁的最高性能理論是達到93%，經過三代進步很大，目前第四代的永磁還沒有研發出來。永磁電機的應用很廣，平時我們使用的轎車有30多處都要用到永磁、軟磁材料，用得越多說明車的自動化水平越高，我們坐著很舒服，但你不知道這個舒服是磁性材料帶來的。另外風力發電也是用永磁發電機，風力發電機3MW的需要1.5噸的稀土永磁。

下面講軟磁。所有的通訊都要用到軟磁材料，從低頻到高頻整個譜都要用到軟磁材料。顆粒表面包覆有機、無機粘接劑。到納米階段它的性能大大提高了。鐵粉芯軟磁材料，最早是上世紀日本做出來的，這種鐵粉芯的基本特征，直流偏置特性好，較高飽和磁感應強度，磁導率頻率特性線性度好。做成納米顆粒甚至可以到幾兆赫的頻段。總的來講，低密度向高密度發展，平時大家用的都是閃盤，閃盤比較便宜，但性能不穩定。20世紀80年代以后，計算機的性能大大提高，價格下降的原因在于把信號讀出來的磁頭，現在用了鋸齒電阻效應，這是歐洲最先發現的，并且得到2007年諾貝爾物理學獎。

第三講交叉耦合效應的磁性材料。其中有超材料、高溫磁制冷材料、自旋電子學等。磁與生物、化學緊密結合，磁性材料是一個應用范圍很廣的材料。比如磁場對小動物的影響，把小白鼠注入病毒以后，發現經過磁療以后活蹦亂跳，但沒有經過磁療的就死了。磁與生物體是很值得研究的，現在到醫院里第一怕開刀，第二怕化療，將來磁療值得試一試。

下面我重點介紹一下自旋電子學。法國科學家阿爾貝·費爾和德國科學家彼得·格林貝格爾因分別獨立發現巨磁阻效應而共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。諾貝爾獎只獎給原始發明，并且這個原始發明是偶然發現的，沒想到副產品得諾貝爾獎，正產品沒有得諾貝爾獎。在多層中增加一層，這些都是很普通的材料，但納米組合以后可以出新的東西。

自旋電子學不但與磁有關，與半導體也有關。本來半導體是不帶磁的，一聽到磁都害怕，但現在要利用磁，怎么把磁鐵放到半導體里面去，以前是用外加電廠控制電荷，現在還可以控制磁旋的轉向。電磁朝上朝下有兩個狀態，可以被計算機使用，現在可以不用磁場來控制，可以磁化電流，用這個辦法可以變成0和1，就可以在計算機中得到應用。

摩爾定律大概到2020年以后結束，現在的半導體芯片還能維持一段時間，但在未來的進程當中可能會趨于萎縮。以后可以把磁盤與芯片合二為一，不需要有磁盤了，一個芯片里面可以有很大的容量。自旋芯片大致上經過三個發展階段。第一個階段是2006年前，采用電流重合法產生的磁場調控自旋，2006年后采用極化電流調控自旋，STT-MRAM，自旋與膜面平行與垂直二類。第三個階段是目前研發電廠調控自旋MeRAM。

國外發展情況，2013年歐洲A350飛機采用自旋芯片控制系統，今年IBM聯手三星公司宣布批量生產STT-MARM芯片。日本東北大學預計到2020年MRAM全球需求可望達到900億美元。半導體自旋電子技術很可能引起信息技術革命性變革，成為引領未來新一代微電子技術，創造新的信息時代。未來運算、存儲、通信三個功能都將集成在單個芯片上，從而形成功能強大、超高速、低功耗、抗輻射的全新的芯片。多學科交叉是今后發展的總趨勢。