1．引言

　　諾貝爾獎委員會在2007年的諾貝爾獎授獎公告[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，而自旋電子學反過來成為促進納米技術(shù)迅速發(fā)展的動力。這為研究領(lǐng)域樹立了一個異常清晰的例子：基礎(chǔ)研究和新技術(shù)是如果交互作用和互相支持的。”實際上，在現(xiàn)代科學研究和技術(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，被加熱后的鎢絲會向電極放電產(chǎn)生電流，這個物理現(xiàn)象被稱為“愛迪生效應(yīng)”。

　　1904年，曾擔任倫敦的愛迪生電燈公司顧問的英國科學家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，公認的世界上第一臺電子計算機ENIAC在美國賓夕法尼亞大學誕生。這部機器使用了18800個真空管，長50英尺，寬30英尺， 占地1500平方英尺，重達30噸。它的計算速度為每秒5000次的加法運算。機器被安裝在一排2.75米高的金屬柜里，占地面積為170平方米左右，總重量達 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標志著電子計算機的創(chuàng)世，人類社會從此大步邁進了計算機時代的門檻。

　　1947年12月，美國Bell實驗室的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，因此晶體管促進并帶來了“固態(tài)革命”，進而推動了全球范圍內(nèi)的半導(dǎo)體電子工業(yè)。作為主要部件，它及時、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余個元件。1959年2月6日， Kilby向美國專利局申報專利，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年諾貝爾物理學獎。Farichild公司的Robort Noyce和他的研發(fā)團隊則解決了大規(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，將會以每18個月翻一番的速度穩(wěn)定增長，并在今后數(shù)十年內(nèi)保持著這種勢頭[4]。Moore的這個預(yù)言，因集成電路芯片后來的發(fā)展得以證實，并在較長時期保持著有效性，被人譽為“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到0.125 mm，，預(yù)計到2010年將達0.05 mm。根據(jù)Moore定律的要求，每16個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，達到更高的加工精度。英特爾前總裁Craig Barrett認為：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

　　硬盤是電子計算機最重要的存儲設(shè)備。1956年9月，根據(jù)磁致電阻原理，IBM科學家Reynold Johnson發(fā)明了世界上第一個計算機磁盤儲存系統(tǒng)IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control），它的磁頭可以直接移動到盤片上的任何一塊存儲區(qū)域，從而成功地實現(xiàn)了隨機存儲，這套系統(tǒng)的總?cè)萘恐挥?MB，共使用了50個直徑為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存更多信息，或?qū)⒋疟P變得更小，但因為磁致電阻效應(yīng)只有極小的提高，通常只在1%到2%之間，磁阻材料的研究進展極為緩慢。在20世紀80年代末期，IBM研發(fā)的磁阻磁頭實現(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，科學家們?nèi)匀徽J為磁頭的性能不可能有顯著提高。

　　1988年，由法國物理學家Fert領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組，在納米尺度內(nèi)，用厚度只幾個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，德國尤利希研究中心的實驗物理學家Grünberg領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，將鉻膜片置入兩個鐵膜片之間，組裝成一個納米尺度的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中，磁場的微弱變化會導(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的實驗科學家Stuart Parkin和他在IBM Almaden研究中心的同事很快意識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，第一個基于巨磁電阻效應(yīng)的硬盤驅(qū)動器問世，并很快成為行業(yè)技術(shù)標準。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。

　　因為在巨磁電阻效應(yīng)方面的先驅(qū)性工作，1997年，歐洲物理學會將惠普歐洲物理學獎頒發(fā)給帕金、費爾和格林貝格爾。2006年和2007年，費爾和格林貝格爾共同獲得沃爾夫物理獎和日本獎。2007年費爾和格林貝格爾獲得諾貝爾物理學獎。

　　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，極大地豐富了人們的生活。從1997年開始，每年超過10億個使用這種技術(shù)的硬盤和MP3涌入市場，給IBM帶來了上百億美元的收入。

　　諾貝爾獎委員會公告指出：“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，而自旋電子學正反過來成為促進納米技術(shù)迅速發(fā)展的動力。這為研究領(lǐng)域樹立了一個異常清晰的例子：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)量子力學理論的計算和實驗證明:當具有電位勢差的兩個導(dǎo)體之間的距離小到一定程度時，電子將存在一定的幾率穿透兩導(dǎo)體之間的勢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，隧道電流就會增大一個數(shù)量級。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。因為在隧道效應(yīng)方面的研究成就，Brian David Josephson 、Ivar Giaever 和Leo Esaki共同獲得1973年的諾貝爾物理學獎[8]。

　　1982年，IBM蘇黎世實驗室的Binnig和Rohrer及其同事們共同研制成功了世界第一臺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)明者們對科學研究的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎。STM及一系列相關(guān)儀器的發(fā)展推動了微電子、納米等尖端科學技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

　　5．幾點思考

　　以上三個例子均為基礎(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。值得我們在制訂科學研究和技術(shù)創(chuàng)新機制時加以借鑒。

　　我國的技術(shù)創(chuàng)新體制強調(diào)以企業(yè)為主體的創(chuàng)新機制，強調(diào)產(chǎn)學研結(jié)合。但從上述例子來看，從基礎(chǔ)研究開始，到技術(shù)進步再到產(chǎn)業(yè)化恐怕是發(fā)展的三個不同階段，三個階段的時間間隔有長有短，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，但其投入的動力主要應(yīng)該是來自市場和企業(yè)內(nèi)部需要，來自企業(yè)外部的外力推動究竟起到什么作用值得深入探討。

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