1．引言

　　諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在2007年的諾貝爾獎(jiǎng)授獎(jiǎng)公告[1]指出：“巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)打開了一扇通向技術(shù)新世界的大門，在這里，將同時(shí)利用電子的電荷自旋特性。新興的納米技術(shù)是發(fā)現(xiàn)巨磁電阻的前提條件，而自旋電子學(xué)反過來成為促進(jìn)納米技術(shù)迅速發(fā)展的動(dòng)力。這為研究領(lǐng)域樹立了一個(gè)異常清晰的例子：基礎(chǔ)研究和新技術(shù)是如果交互作用和互相支持的。”實(shí)際上，在現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展歷程中，基礎(chǔ)研究和新技術(shù)交互作用和互相支持的歷史事例是非常多的。本文簡(jiǎn)要介紹集成電路、硬盤技術(shù)及掃描電子顯微鏡的發(fā)展等三個(gè)例子，探討基礎(chǔ)研究和新技術(shù)發(fā)展的相互關(guān)系，希望能給讀者一些啟迪和思考。

　　2．集成電路技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)介

　　1880年，愛迪生意外地發(fā)現(xiàn)在燈泡里加入一支電極，而將它連接到鎢絲的電源去，被加熱后的鎢絲會(huì)向電極放電產(chǎn)生電流，這個(gè)物理現(xiàn)象被稱為“愛迪生效應(yīng)”。

　　1904年，曾擔(dān)任倫敦的愛迪生電燈公司顧問的英國(guó)科學(xué)家J.A.Fleming發(fā)明了用于無線電信中檢波器的真空二極管，這個(gè)重大發(fā)明的基礎(chǔ)就是“愛迪生效應(yīng)”。Fleming將發(fā)明了的二極真空管取名Bulb，或稱Valve。

　　1946年2月14日，公認(rèn)的世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生。這部機(jī)器使用了18800個(gè)真空管，長(zhǎng)50英尺，寬30英尺， 占地1500平方英尺，重達(dá)30噸。它的計(jì)算速度為每秒5000次的加法運(yùn)算。機(jī)器被安裝在一排2.75米高的金屬柜里，占地面積為170平方米左右，總重量達(dá) 到30噸。它的耗電量超過174千瓦，電子管平均每隔7分鐘就要被燒壞一只。ENIAC標(biāo)志著電子計(jì)算機(jī)的創(chuàng)世，人類社會(huì)從此大步邁進(jìn)了計(jì)算機(jī)時(shí)代的門檻。

　　1947年12月，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的Shockley、Bardeen和Brattain等人發(fā)明了晶體三極管[2]。晶體管相較于真空管具有顯著的優(yōu)越性能，因此晶體管促進(jìn)并帶來了“固態(tài)革命”，進(jìn)而推動(dòng)了全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)。作為主要部件，它及時(shí)、普遍地首先在通訊工具方面得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于晶體管徹底改變了電子線路的結(jié)構(gòu)，集成電路以及大規(guī)模集成電路應(yīng)運(yùn)而生。

　　1958年，Jack S. Kilby發(fā)明了集成電路方法[3]。在不超過4平方毫米的面積上，大約集成了20余個(gè)元件。1959年2月6日， Kilby向美國(guó)專利局申報(bào)專利，這種由半導(dǎo)體元件構(gòu)成的微型固體組合件，被命名為“集成電路”（IC）。Kilby由此獲得2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Farichild公司的Robort Noyce和他的研發(fā)團(tuán)隊(duì)則解決了大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題。

　　1965年Intel公司的Moore博士發(fā)表論文Cramming more components onto integrated circuits預(yù)言集成電路上能被集成的晶體管數(shù)目，將會(huì)以每18個(gè)月翻一番的速度穩(wěn)定增長(zhǎng)，并在今后數(shù)十年內(nèi)保持著這種勢(shì)頭[4]。Moore的這個(gè)預(yù)言，因集成電路芯片后來的發(fā)展得以證實(shí)，并在較長(zhǎng)時(shí)期保持著有效性，被人譽(yù)為“Moore定律”。 Moore定律一直指導(dǎo)著微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　2002年，芯片的特征線寬已達(dá)到0.125 mm，，預(yù)計(jì)到2010年將達(dá)0.05 mm。根據(jù)Moore定律的要求，每16個(gè)月芯片的集成度要增加一倍，因此需要不斷的發(fā)展新的加工工藝，達(dá)到更高的加工精度。英特爾前總裁Craig Barrett認(rèn)為：Moore定律還要有效至少20年。

　　3．硬盤技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

　　硬盤是電子計(jì)算機(jī)最重要的存儲(chǔ)設(shè)備。1956年9月，根據(jù)磁致電阻原理，IBM科學(xué)家Reynold Johnson發(fā)明了世界上第一個(gè)計(jì)算機(jī)磁盤儲(chǔ)存系統(tǒng)IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control），它的磁頭可以直接移動(dòng)到盤片上的任何一塊存儲(chǔ)區(qū)域，從而成功地實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)存儲(chǔ)，這套系統(tǒng)的總?cè)萘恐挥?MB，共使用了50個(gè)直徑為24英寸的磁盤。

　　在隨后幾十年中，隨著信息量的激增，人們希望磁盤中能儲(chǔ)存更多信息，或?qū)⒋疟P變得更小，但因?yàn)榇胖码娮栊?yīng)只有極小的提高，通常只在1%到2%之間，磁阻材料的研究進(jìn)展極為緩慢。在20世紀(jì)80年代末期，IBM研發(fā)的磁阻磁頭實(shí)現(xiàn)了硬盤內(nèi)容的大幅上升，其原理依然是磁致電阻原理，這時(shí)，科學(xué)家們?nèi)匀徽J(rèn)為磁頭的性能不可能有顯著提高。

　　1988年，由法國(guó)物理學(xué)家Fert領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組，在納米尺度內(nèi)，用厚度只幾個(gè)原子大小的磁性材料鐵膜片和非磁性材料鉻膜片做成一個(gè)納米尺度的多層膜，發(fā)現(xiàn)在低溫[4.2K]下磁致電阻可減小50%[5]；與此同時(shí)，德國(guó)尤利希研究中心的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家Grünberg領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，將鉻膜片置入兩個(gè)鐵膜片之間，組裝成一個(gè)納米尺度的3層膜，發(fā)現(xiàn)室溫下磁致電阻提高6%[6]。他們的發(fā)現(xiàn)表明：一個(gè)由磁性和非磁性導(dǎo)體相間組成的多層薄膜材料放入外來磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的微弱變化會(huì)導(dǎo)致電阻的極大變化，這種現(xiàn)象被命名為巨磁電阻效應(yīng)（GMR）。

　　IBM的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家Stuart Parkin和他在IBM Almaden研究中心的同事很快意識(shí)到巨磁電阻的重要性和它在更靈敏磁頭中的應(yīng)用[7]。Stuart Parkin采用陰極真空噴鍍的方法于1994年研制出更為靈敏的讀出磁頭，磁盤記錄密度提高17倍；1997年，第一個(gè)基于巨磁電阻效應(yīng)的硬盤驅(qū)動(dòng)器問世，并很快成為行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前幾乎最新的磁頭讀出技術(shù)都是基于巨磁電阻原理研制的。

　　因?yàn)樵诰薮烹娮栊?yīng)方面的先驅(qū)性工作，1997年，歐洲物理學(xué)會(huì)將惠普歐洲物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給帕金、費(fèi)爾和格林貝格爾。2006年和2007年，費(fèi)爾和格林貝格爾共同獲得沃爾夫物理獎(jiǎng)和日本獎(jiǎng)。2007年費(fèi)爾和格林貝格爾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　巨磁阻磁頭的問世大大激發(fā)了工程師在娛樂、通訊及信息產(chǎn)品上的創(chuàng)造力，MP3音樂播放器、掌上電腦等新產(chǎn)品閃亮登場(chǎng)，極大地豐富了人們的生活。從1997年開始，每年超過10億個(gè)使用這種技術(shù)的硬盤和MP3涌入市場(chǎng)，給IBM帶來了上百億美元的收入。

　　諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)公告指出：“巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)打開了一扇通向技術(shù)新世界的大門，在這里，將同時(shí)利用電子的電荷自旋特性。新興的納米技術(shù)是發(fā)現(xiàn)巨磁電阻的前提條件，而自旋電子學(xué)正反過來成為促進(jìn)納米技術(shù)迅速發(fā)展的動(dòng)力。這為研究領(lǐng)域樹立了一個(gè)異常清晰的例子：基礎(chǔ)研究和新技術(shù)是如果交互作用和互相支持的。”

　　4．掃描隧道顯微鏡的發(fā)明

　　根據(jù)量子力學(xué)理論的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明:當(dāng)具有電位勢(shì)差的兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離小到一定程度時(shí)，電子將存在一定的幾率穿透兩導(dǎo)體之間的勢(shì)壘從一端向另一端躍遷,這種電子躍遷的現(xiàn)象在量子力學(xué)中被稱為隧道效應(yīng)，而躍遷形成的電流叫做隧道電流.隧道電流有一種特殊的性質(zhì)，既對(duì)兩導(dǎo)體之間的距離非常敏感，如果把距離減少0.1nm，隧道電流就會(huì)增大一個(gè)數(shù)量級(jí)。隧道顯微鏡的原理正是巧妙利用了隧道效應(yīng)及隧道電流。

　　早在量子力學(xué)建立之初，G.Gamow就預(yù)言過隧道效應(yīng)。1957年，Leo Esaki發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體的隧道效應(yīng)，并研制成功隧道二極管。1960年，Giaever成功的觀察到了超導(dǎo)體的隧道效應(yīng)。1962年，Josephson理論預(yù)言超導(dǎo)電流能夠通過隧道阻擋層。因?yàn)樵谒淼佬?yīng)方面的研究成就，Brian David Josephson 、Ivar Giaever 和Leo Esaki共同獲得1973年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[8]。

　　1982年，IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的Binnig和Rohrer及其同事們共同研制成功了世界第一臺(tái)新型的表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）。為表彰STM的發(fā)明者們對(duì)科學(xué)研究的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。STM及一系列相關(guān)儀器的發(fā)展推動(dòng)了微電子、納米等尖端科學(xué)技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

　　5．幾點(diǎn)思考

　　以上三個(gè)例子均為基礎(chǔ)研究和新技術(shù)交互作用和互相支持，從研究到產(chǎn)業(yè)化的成功典范。值得我們?cè)谥朴喛茖W(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新機(jī)制時(shí)加以借鑒。

　　我國(guó)的技術(shù)創(chuàng)新體制強(qiáng)調(diào)以企業(yè)為主體的創(chuàng)新機(jī)制，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。但從上述例子來看，從基礎(chǔ)研究開始，到技術(shù)進(jìn)步再到產(chǎn)業(yè)化恐怕是發(fā)展的三個(gè)不同階段，三個(gè)階段的時(shí)間間隔有長(zhǎng)有短，但界限是清晰的，基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化并不是同時(shí)性的，而是有明顯的先后順序。

　　基礎(chǔ)研究是源頭，其研究成果和突破不可規(guī)劃。技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主體應(yīng)該是企業(yè)，需要企業(yè)在人力和物力的大量投入，但其投入的動(dòng)力主要應(yīng)該是來自市場(chǎng)和企業(yè)內(nèi)部需要，來自企業(yè)外部的外力推動(dòng)究竟起到什么作用值得深入探討。

　　目前政府制訂的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟政策出發(fā)點(diǎn)當(dāng)然是好的，但一開始就把基礎(chǔ)研究、技術(shù)改進(jìn)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程綁在一塊是否有些急于求成。目前政策實(shí)施的效果是否一定好，需要實(shí)踐的檢驗(yàn)。