自旋电子学的青山
编者以为这是最能体现Peter Grünberg先生神采的一幅照片
(来自http://www.dw.com/image/43314420_403.jpg)。
1. 编者按：
德国Juelich国家研究中心的Peter Grünberg教授不幸于2018年4月7日逝世，享年78岁。众所周知，Peter Grünberg与法国巴黎南大学的Albert Fert各自以在1988年前后发现磁性多层膜中的巨磁电阻GMR效应而著称，是现代自旋电子学的奠基人。严谨地说，Grünberg那时取得的成果可能与量子材料并无密切关联，但自旋电子学的概念却是引导量子材料发展的旗帜之一，包括隧穿磁电阻、庞磁电阻、及至当前的拓扑量子材料，发展这些材料的一个核心目标即为自旋电子学应用。从这一意义上，Grünberg教授可以算是量子材料发展的开拓者之一。
我国从事自旋电子学的队伍庞大，取得的成果众多，其中不少学者与Grünberg先生有各种层面的交流合作和密切联系。为缅怀Grünberg先生及致敬其取得的伟大成就，南京大学的都有为院士撰写了一段短文，从一个角度对Grünberg先生的学术贡献做了评价。来自山东大学的颜世申教授和来自北航大学青岛研究院的千人计划学者冷群文教授是国内少数几位师从Grünberg先生的学生，他们专门撰写了各自与Grünberg先生交往的点滴故事，其情可鉴、其怀可感。
先生的姓氏Grünberg，按照德语可以直译为“绿色的高山”，即“青山”。本文标题“自旋电子学的青山”蕴含了对Grünberg先生的敬意，也蕴涵了“莫问青山莫问行，无心浣柳若云清。青山极目八千里，一片冰心广厦成”的历史脉络。
2. 都有为教授：
惊悉德国Peter Grünberg教授仙逝，沉痛悼念。
二十世纪八十年代，Grünberg与法国Albert Fert各自独立开展了(磁/非磁/磁)纳米多层膜的层间耦合研究。在两层铁磁层(如两层Fe层)之间，插入非磁性层(如Cr)后，两铁磁层间是否存在耦合？实验表明：随着纳米非磁性层厚度的变化，存在RKKY类型的交换耦合效应。这一结果作为基础研究工作十分出色。令人意外的是他们也同时测量了电阻随磁场变化的特性，发现变化甚大，可高达百分之五十以上。这一效应史称巨磁电阻效应(giant magnetoresistance, GMR)。
Grünberg发现新的物理特性后立即申报了专利，而Fert则选择在物理学刊物PRL上发表论文，从而引起众多学者与企业家的关注。需要指出的是，他们的原始研究成果虽然引人注目，但无法进入实际应用，因为产生如此巨大的电阻变化需要 ~ 2 T的高磁场。在此不得不敬佩Grünberg教授申报专利的勇气与智慧，导致美国学者倾心于研究如何降低高磁场、如何提高磁场灵敏度。
美国学者采用了十分巧妙的方法，在两层铁磁层中选择其中一层，于下面添加了一层反铁磁层。通过铁磁/反铁磁层间耦合，反铁磁层将紧邻的铁磁层自旋钉扎在一定方向。而另外一层铁磁层由于没有反铁磁层钉扎而变成了自由层，其中自旋可以在低磁场下改变方向。这一结构称为自旋阀结构，事实上就是一种新的高灵敏度磁传感器。由此开拓了全新的磁电子学领域。后来，这一领域扩展到半导体、高分子领域等，形成了自旋电子学新学科(spintronics)。
鉴于Grünberg和Fert的原创性工作对基础研究与应用领域的重要贡献，他们分享了2007年度诺贝尔物理学奖。现在磁传感器已进入商业化，高密度高容量磁盘更是进入千家万户，基于此的自旋芯片也在空客A350上应用，即将成为半导体芯片的竞争产品。现在来看，自旋电子学已成为欣欣向荣的研究领域。
在此缅怀Grünberg教授，他为人类开拓了新的研究领域。
3. 颜世申教授：
2018年4月7日，知名物理学者Peter Grünberg教授因心脏衰竭不幸去世，享年78岁。众所周知，Peter Grünberg和Albert Fert于1988年因各自独立发现巨磁电阻效应而获得了2007年的诺贝尔物理学奖。巨磁电阻的发现，直接推动了信息存储技术飞速发展，极大改变了我们的生活。他的去世，不只是使世界失去一位伟大的物理学家，对我而言是失去一位难得的良师益友，悲伤之情难于言表。先生驾鹤西去，我再也没有机会接受先生的言传身教。然而，与先生一起工作和生活的点滴，将不会随时光消退。
记忆深刻的是Peter Grünberg先生学习吃油炸知了。2010年8月，我邀请先生访问中国，我知道他喜欢中国的美食、风景和文化，于是就在北京的小吃一条街请他吃油炸知了。他当时毫不犹豫，拿起一只知了就放进了嘴里。吃完之后，他告诉我，他以前从不吃任何昆虫，但生活就要不断尝试新事物。
我陪先生去爬过一次北京的八达岭长城，时间也是8月份的一个中午，所谓烈日炎炎似火烧。当时先生已经71岁，他穿着短裤短褂，历时两个多小时，爬到了好汉坡，随后再回到长城脚下，其间居然没有停下来休息一分钟。他指着被汗水湿透的短褂问我：你告诉我“不到长城非好汉”，我现在是好汉了吧？当时先生已经患帕金森症很长时间，虽然双手经常不自觉抖动，但身体依然强壮，绝对应该算是生活中的好汉了。
先生对中国的科技发展有过高瞻远瞩的预言。二十多年前的1997年5月，我作为洪堡学者在先生指导下工作。那时我刚到德国，他却问我德国的工作结束后准备到哪里去。我告诉他我还没考虑好这个问题，而他郑重地提醒我：中国发展很快，你应该回到自己的国家，建立自己的实验室。如此，你不出几年就会变成教授的。现在想一想，当时他的预言非常精准，也是促使我回国服务的驱动力之一。
Juelich研究中心的工作方式与众不同。每天中午，每个研究组的教授、博士后与研究生一起到食堂吃饭，饭后回到办公室一起喝咖啡，自由自在地畅谈工作、学习和生活。可能是因为先生是大家，无需受各种世俗的、功利的压力掣肘，他可以天马行空，经常用各种想法来考验我的能力与智慧，建议我去试试这个、试试那个。在我与先生一起工作的第一年，就尝试了六个不同的研究课题。当然，大多数都毫无结果，或不了了之。这种状况一直到我工作了两年，才在分子束外延Fe/Mn/Fe三层膜中看到了任意角度的层间耦合现象，算是做出了一点新结果。后来，我也渐渐明白先生的研究模式，就是不跟随别人的研究工作，走自己的路，如果做出了成果自然就是原始创新。
颜世申做洪堡学者期间与Peter Grünberg 研究组的成员合影
作为科学家，至少有一点是与政治家和商人不同的。这就是无论你科研失败多少次，人们都不会记得。世界只记得你的成功，因此科学家才可以无所顾忌、大胆创新。不过，“郁闷”的是，即使做出了我以为很好的结果，先生也不介意论文发表在哪里。他不看重刊物级别，更不追求文章数量，我想这才是大师的风采，但我因此也受不小损失。
先生晚年由于身体状况不佳，多是深居简出，渐渐淡出公众的视线。然而，他对工作和生活的热爱和执着，分毫不减。最近几年，他不辞劳苦，奔波在德国、中国、韩国和日本之间，先后在德国、韩国和中国建立了三个以他的名字命名的研究所或实验室。先生于2012年5月正式加盟山东大学物理学院，成为我校兼职教授。物理学院以先生作为国外学术大师领衔，成功申请了“自旋电子物理、材料与器件”学科创新引智基地项目(111项目，2013-2017年)。他还选拔了物理学院的7名本科生，组成了音乐与声学科研兴趣小组。这是源于在受聘山大时先生已经觉得他继续做自旋电子学的研究已经没有挑战性了，而他一直想做新的没有人做过的事。后来受到搞音乐的女朋友影响，做起固体(不是弦)声学方面的探索。在几个本科生的协作下，他在不同粗细的钢管和部位上，成功地奏出了美妙的乐曲。可见，先生是一位不愿意躺在过去成绩上而富有创新精神的学者。
Peter Grünberg 2010年访问山东大学。左二是梅良模老师，左一是笔者，右一是Grünberg夫人。
在济南期间，他每天早晨8点就到山大知新楼的办公室，晚上10点才离开。工作间隙他喜欢打乒乓球，乒乓球台就在他办公室旁边的楼道里。即使在大冬天，他也要换上短裤和背心与研究生对打，非常投入和认真。中午饭就在山大的学生食堂，他喜欢与年轻的老师和学生一起吃饭聊天。周末他喜欢在市区骑车锻炼身体。他刚一来山大，就要骑车到黄河岸边。我担心他迷路，就让一个年轻的老师骑车陪着。不料那位年轻老师中途自行车掉了链子，与先生失联。那时他刚来中国，不会说汉语，也没有手机。我担心他走丢了，就派了几个学生分头寻找。学生们找了两个多小时，踏破铁鞋无觅处，才知道老先生独自骑车回学校了。我问他迷路了吗，他说没有，他有路标，校内那座最高的楼，楼顶有一座大钟，那就是他的路标。我想，日常生活和科研生涯经常关注路标，大概是人生事业两不误的招数。
先生生命的最后两年，由于帕金森症病情加重，摔倒过几次。虽然都是皮肉之伤，并无大碍，但最大的问题是他有时分不清梦境与现实。当这种情况出现时，我们能感觉到他会极力想出各种办法，帮助判断自己是在梦境中、还是在现实中。现在，先生离开尘世，正在去到天堂那新的世界。我们衷心祝愿他生活在美好的梦境中，循着通向天堂的路标，到天堂安歇吧。
4. 冷群文教授：
Peter Grünberg (彼得×安德烈亚斯×格林伯格, Peter Andreas Grünberg)教授是我的博士生导师。学生惊闻先生突然去世，非常难过。震惊之余，提笔写点与他在一起工作交往的时光回忆，以作纪念。
Peter Grünberg先生，背景是他的GMR磁盘。
今年3月初，我带两名博士生到德国去做GMR传感器膜堆。本来很想有机会去拜访一下先生，因为上一次见到他是2014年夏天在南京紫金山下，已多年未见。无奈从朋友那里得知先生在家中摔倒，已紧急送往德国黑森林医院治疗。我只好作罢，未能成行。之后，因各种原因、工作繁忙及路途遥远，未再能前往探望。先生在2007年摘得诺贝尔桂冠不久就罹患帕金森疾病，最近一年日趋严重。据说黑森林医院是德国治疗帕金森病的最好医院，那里不仅有医术高超的医生，而且有幽美的环境适宜患者修养康复。后来朋友告知，医治很成功，先生已于3月下旬回家修养。然而，此时德国流感肆虐横行，特别是德国北部地区，先生不幸感染流感病毒，心力衰竭，于4月7日凌晨5点去世。学生我非常遗憾没能最后见他一面。
2014年笔者与Peter Grünberg在南京紫金山庄留影。
我要深深地感谢作为授业导师的先生。他带领我进入了令人兴奋的磁耦合作用和 GMR 的世界。我博士研究工作的所有结果都是在他精心指导、热心帮助和许多富有成果的讨论中完成的。和他在德国Juelich研究中心一起工作的三年，是我一生中非常丰富的经历和美好的时光。
1994年笔者与Peter Grünberg在科隆大学研究生毕业典礼上。
我人生中有许多导师，先生应该是我人生中最重要的导师。在他那里，我的所学所得，不仅使我在学问上取得进步，也对我在社会上为人、以致对我后来的生活都产生深远影响。可以说，在他的指导下，我改变了人生轨迹。无论是在德国、美国和一年前海归回到中国，我都继承他的衣钵，一直从事自旋电子学和磁传感器的事业。
我的两位导师：Prof. Dr. Peter A. Grünberg和Prof. Dr. W. Zinn
先生出生在捷克境内的一个叫皮尔森的小镇，后来到德国上学。他是德国Juelich研究中心 (Forschungszentrum Jülich) 著名物理学家，也是德国科隆大学教授。1990年底该研究中心固体物理所所长维纳×金教授 (Prof. Dr. W. Zinn) 把我招到固体所，分配到先生的研究小组。先生眼光深邃，是个睿智慈祥的人。我一到所里，他就把我安排跟他在一个办公室。其他几个师兄弟都有自己的办公室，可以随意一点，而我要坐在他的对面。先生自己说是不想我跟他离得太远。开始我觉得有些尴尬，后来发现他是一个很容易相处、和蔼可亲的人。于是乎，我在那里跟他面对面一坐就是三年。这期间我真切感受到我这个导师有多牛，也感受到他有多普通。
先生主要研究领域是磁性多层薄膜。他是最早用布里渊散射实验观察到表面磁子的科学家。最著名的成果当然是他在1986年首次用分子束外延，人工制作了反铁磁耦合的三明治结构多层膜，并在1988年发现了巨磁阻GMR 效应。与此同时，法国巴黎南大学Albert Fert教授也独立发现了这一效应。基于这个效应研制出的磁阻传感器是1995年以来计算机高密度存储中的核心器件，在千兆硬盘驱动器上取得突破，至今仍是行业主流技术。它已被广泛应用于现代消费电子、工业自动化、生物医疗和物联网领域。GMR 效应的另一个划时代应用是非易失磁性随机存取存储器。鉴于该发现的巨大应用前景，先生与Fert教授共同获得2007年度诺贝尔物理学桂冠，也算实至名归。也因此，世界开启了自旋电子学研究和自旋电子产业的新世纪。
除了诺贝尔奖，先生因GMR效应拿奖拿到手软。诸如美国物理学会APS国际新材料奖、国际联盟纯粹和应用物理磁性奖、惠普欧洲物理学(Hewlett-Packard Europhysics)奖、沃尔夫物理学奖和日本科技基金奖。他也获得德国总统未来奖和欧盟欧洲专利局的欧洲年度创新奖等。他2012到中国工作，于2016年获得中国政府授予的友谊奖。
先生的实验室装备并不是很高端：一个自己设计的三腔室分子束外延镀膜设备，另加四台测试实验装置 (分别是布里渊光散射、克尔显微镜、磁光克尔效应测试台和四探针台)。但是，我认为他的实验室是层状磁性薄膜研究效率最高的一个。尤其是先生率先成功制备楔形薄膜样品，不仅极大地节约了样品制备时间，而且解决了实验因样品结构和性能在实验室条件下的重复性、差异性问题，使得我们有更多时间精力关注于物理和机理的研究，并在短时间内出成果。1990初以来，世界各地的研究室，纷纷效仿先生楔形薄膜制备技术，科研效率提高不少。这个方法对我的研发一直裨益至今，百试不爽！
先生是GMR和磁相互作用领域的开山鼻祖，他能吸引很多优秀的学生和自旋电子领域的杰出研究人员，世界各地来访问和合作的科学家络绎不绝，不少是自旋电子学领域的大咖。我能记得的有IBM的Stuart Parkin和John Slonczewski等。前者是GMR技术在硬盘驱动器磁头工程上的集大成者，后者则第一个提出了自旋转移力矩概念与机制的理论家。与这些大咖交流工作，是我们研究生难得的学习机会。
在先生实验室做博士研究生的三年，前后有很多师兄弟、博士后和访问学者一起工作。大多数师兄弟是德国人，也有Fert研究室的代培博士生，有来自欧洲、美国和中国访问学者等。印象深刻的是先生研究组每天三次咖啡聚集时间 (Kaffee Zeit)。德国人平时看起来严肃认真，其实很能聊天。大家一起喝着咖啡，自由交谈，非常融洽。我很喜欢与导师和师兄弟围坐一起的那种温馨随意的气氛，虽然每次听他神侃我都不大能插上话。这样不仅增进相互了解，而且可以在这个时间讨论解决科研工作问题。对于我来说，也是学德语、了解德国文化和风土人情的大好机会。直到现在，如果哪天没有咖啡，我总感觉工作效率不高。我回国工作时，还让我夫人买了咖啡机从美国带到国内。
那时在德国留学的中国人很少。我或许是先生带的唯一一位中国博士生。每逢过年过节，先生都邀请我到他家与他家人一起，甚至像圣诞节这样在欧洲是家庭相聚的节日，我每年都被邀请到他家，好像是他家庭一员。现在想起，我都倍感温暖。在办公室他每天总是要等到我回家后才离开。他的理念是工作效率要高，要聪明地工作。工作之余要享受大自然。如果我工作太晚或要求周末上班，他总是跟我说，找朋友出去玩，到外面走走。很感激他老人家，我的工作做得不错，日子也过得很顺利轻松。我利用闲暇时间玩遍德国周边的欧洲国家的每个角落。
先生有很浓的中国情结。他夫人和他都很喜欢中国，但是那时都没去过中国。我博士快毕业的时候，他跟我谈起我今后的打算。他希望我学成能回国工作，而且他有大众汽车公司的项目资金可以跟我合作。那时国内国外工作不好找，我的计划是先做两年博士后，然后再考虑回国。后来我找到了马克思×普朗克微结构物理所做访问学者，再后来博士毕业戴上博士帽后，我去了美国。我跟导师打电话时，虽然他说很高兴，祝贺我找到了工作，但其实他一定对我很失望，因为我没回国工作。我在美国成家立业，一呆就是二十多年。在此期间，我们没有联系，直到2007年新闻里听到导师获得物理诺贝尔奖。我远洋快递一个花篮祝贺他，并按捺不住兴奋的心情跟他打了十五分钟电话，分享他荣获诺贝尔桂冠的喜悦。整整20年后，我在南京又见到了我久别的导师。这时，我感觉到他已老态龙钟，可是他却比我先到中国工作。经过几番周折，我终于在2016年底回国服务，但我再也没见到他。
我最幸运的是有先生做我的导师，最遗憾的是二十四年前离开他后再也没有机会合作过。先生开创了自旋电子产业时代，而我希望能在这个领域能竭尽全力为社会做出自己的一点贡献，不负我导师的教诲。
谨以此文悼念我的博士导师。愿先生一路走好！
备注：封面图片来自网络。Peter Grünberg先生，背景是他的GMR磁盘。