都有為：專注磁學，成就有為人生

都有為（1936— ）

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

1963年4月，第一屆全國磁學及磁性材料會議召開，國內最早成立磁學專業(yè)的五所高校的教師在無錫太湖之濱合影（前排左起：山東大學郭貽誠、北京大學葉企孫、南京大學都有為、吉林大學張裕普）。

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

上世紀90年代初，都有為在做實驗。

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■楊堅

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。愛國實業(yè)家都錦生當年曾織出我國第一幅絲織風景畫“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家，他為中國的磁學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、顆粒膜的巨磁電阻效應等研究中發(fā)揮了重要作用。他就是南京大學物理系教授、中國科學院院士都有為。

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)境下他自強不息，克服重重困難，利用一切機會勤奮學習，相繼完成小學、中學的學業(yè)，并考取南京大學物理系，從此走上了與磁學結伴的人生之路。

家風熏陶，從小愛讀書

都有為出生時家境尚為殷實。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，有一個大宅院，那時的都家被當地人稱為“墻門里面的”（其居現被改建為“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，讓周鄰的孩子來免費讀書。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會長，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，以貼補家用；另有十余畝地雇人耕種，解決了全家的溫飽。

雖然局勢不好，到了該讀書的年齡，都家還是盡可能讓孩子們去學校讀書，恰如家中正屋里的對聯所寫，“子孫才，族將大”。

都家有個書房，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。因為父親愛看書，家中也形成一種風氣——沒事的時候大家就去書房里看書。都有為還沒上學、識字時，就愛與姐姐一起到書房。他有時候淘氣，把書房里的化學試劑拿出來，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，他漸漸地也跟哥哥姐姐一樣，喜歡到書房里看書。都家的孩子因為讀書多，在鄰居的眼里，他們更孝順、懂事、有禮貌。

不言放棄，結緣磁學

1947年，都有為進入杭州市立中學初中部學習。當時的杭州市立中學位于金沙港（現杭州西湖曲苑風荷景區(qū)），靠近岳墳，離家較遠。因家里經濟狀況差，沒有條件住校，都有為只能走讀，每天步行一個多小時。

在學校，都有為接觸到了更多的進步書籍、報刊，在語文老師袁卓爾的影響下，其思想認識也有了很大提升，對于國家、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中學。但他沒有放棄，在家中邊勞動邊自學，于次年2月通過考試，進入該校讀書。誰知剛上了一年，又因家庭變故而休學。在家參加勞動期間，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，直接讀高三，完成高中學業(yè)后參加高考，在物理老師的建議下報考南京大學物理系。

如愿考取南京大學后，都有為絲毫沒有放松課程的學習，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、周衍柏等學術大師的熏陶下，他逐漸展露出自己對于物理現象和規(guī)律理解上的優(yōu)勢。

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

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

1956年，南京大學物理系建立磁學專業(yè)，學習蘇聯模式成立教研室，微波物理學家鮑家善任磁學教研室第一屆主任，當時參加籌建的還有翟宏如、蔡魯戈、胡洪銓等人。都有為成為磁學專業(yè)第一屆學生，畢業(yè)論文由鮑家善指導，從此與磁學結緣。

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

白手起家，當起“破爛王”

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

那個時期科學研究與學術活動還在斷斷續(xù)續(xù)進行。1963年4月，由中國電子學會、中國物理學會合辦的第一屆全國磁學及磁性材料會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議，提交論文85篇。會后，國內最早成立磁學專業(yè)的五所高校的教師在太湖之濱的蠡園相聚并合影留念，其中有中國磁學創(chuàng)始人、北京大學的葉企孫和山東大學的郭貽誠等人，都有為也參加了此次會議。

都有為的磁學研究是從一間地下室開始的。自1972年工農兵學員進校后，南京大學逐步恢復教學秩序。當時物理系在北大樓的地下室有一間磁學教研室公用的實驗室，約30平米，但里面除了幾臺簡易高溫爐外空無一物，根本沒有經費買設備。都有為和同事陸懷先便當起了“破爛王”，專門到化學系的走廊撿拾丟棄的瓶瓶罐罐，拿回實驗室，用化學方法制備磁性顆粒樣品。他們還自己制備、動手做測量儀器。實驗室冬冷夏熱，黃梅天里甚至要穿雨靴進實驗室工作……

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”設備中出爐，每年都有兩篇論文在當時國內物理界最高水平的學術刊物《物理學報》上發(fā)表。

服務基層，解企業(yè)燃眉之急

“文革”結束后，都有為更是分秒必爭?？蒲兄?，他還積極參與江蘇省磁性材料的生產，為企業(yè)無償服務，提高產品質量，解決永磁鐵氧體干壓取向成型中提高磁粉在磁場中的取向度的難題等。

1982年，生產揚聲器和微電機使用的永磁鐵氧體產品的浙江諸暨磁性材料廠（以下簡稱諸暨廠），因為技術力量薄弱，質量上不去，產品大量積壓、報廢，企業(yè)瀕臨倒閉。一次，廠方偶然看到都有為撰寫的《永磁鐵氧體工藝進展》《永磁鐵氧體的基礎研究》兩篇文章，受到啟發(fā)。于是，廠長沈乃玄專程趕往南京大學懇請都有為擔任該廠的技術顧問。

都有為從當年9月首次來到諸暨廠以后，在不影響校內教學、科研任務的前提下，先后7次前往該廠講學，課后輔導技術骨干，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，并在一年多時間里陸續(xù)給工廠寫了數十封信，不厭其煩地回答各種技術難題，提出注意事項。在普遍提高職工技術素質的基礎上，他還幫助廠方建立了攻關小組，后來又推薦南京盛振翔工程師參與技術工作，把“提高鋇鐵氧體磁能積研究”作為突破口，把改造陳舊設備作為提高產品質量的關鍵。

經過一年多時間的努力，1983年12月，諸暨廠通過了磁能積研究課題的技術鑒定。自此，該廠因為產品質量的提高而重新打開銷路，半年盈利27萬元，并有7種產品出口。1984年，《光明日報》《浙江日報》《新華日報》等媒體紛紛對此進行報道。

2021年4月7日，都有為重訪諸暨廠（現為諸暨安特磁性材料公司）。當年差點倒閉的工廠而今早已做強做大，永磁鐵氧體粉體生產量居國內首位，年產值逾5億元。

立足前沿，開展高溫超導氧化物研究

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

1986年初，適逢高溫超導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CUSPEA留學生肖鋼（現為美國布朗大學教授、物理系主任），對如何制備高溫超導氧化物的樣品進行探討，并一起制備樣品。當時，都有為提出了對高溫超導化合物釔鋇銅氧化物（YBa2Cu3O6+y）進行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《物理評論 B》（1987），對理解高溫超導的機理以及進一步開展高溫超導體材料實驗提供了啟示，至今已被414篇SCI論文引用。

當時，都有為敏銳意識到這是非常重要的研究方向，于是便向其合作導師、從事穆斯堡爾效應的專家沃克（Walker J. C.）教授提出開展高溫超導材料研究的建議。沃克教授對此欣然采納，并讓邱子強和唐煥二位博士生與都有為一起開展相關研究。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，用穆斯堡爾譜學的方法研究高溫超導體中的磁有序問題，這是一個新的研究方向。實驗結果表明反鐵磁有序與超導性共存的現象，這與本世紀初提出的相分離機制相一致，為了解高溫超導氧化物的超導機制提供了實驗的啟示。

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材料研究，重返磁學與磁性材料領域，開展磁性超細微粒材料的研究。

回到南京大學的實驗室，依舊是一窮二白的老樣子。但就在這樣的條件下，都有為帶領團隊先后進行了磁性液體的研制與應用開發(fā)，高密度磁記錄材料、金屬（合金）、氧化物超細微粒的研制與性能研究等，為后續(xù)深入進行的納米材料研究奠定了基礎，積累了豐富經驗。

1992年，憑借對磁性納米材料的研究經驗和成果的積累，都有為科研組成功爭取到國家“八五”攀登計劃中的“納米材料科學”項目，由中科院上海硅酸鹽研究所嚴東生院士和南京大學馮端院士任該項目首席科學家。以此為契機，都有為帶領磁學科研組在國際上較早地開始了納米材料磁性的研究，先后承擔多項國家、省部級科研項目，購置了多種納米材料的合成、性能檢測設備，使科研組的科研工作條件有了質的飛躍，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”攀登預選計劃“納米材料科學”首席科學家；1999年，都有為又爭取到了“973”項目“納米材料和納米結構”的“08子課題”。

隨著科研條件逐步改善，都有為團隊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的各個領域，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、納米結構材料，以及合金材料的巨磁電阻效應、磁熱效應、磁彈效應、磁致伸縮效應等研究工作，在國內較早開展顆粒膜的磁光效應與磁電阻效應、反?；魻栃难芯?，進而又進入到自旋電子學的領域，開拓了半金屬與稀磁半導體材料的研究，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域一直是科學工作者追求的目標。

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

此前，都有為即已安排學生做過鐵氧體磁熵變的研究，在調控居里溫度與磁熵變方面存在一些矛盾，此時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行調控，于是都有為便安排學生郭載兵的博士論文的研究工作由永磁鐵氧體轉向“鈣鈦礦化合物的磁熵變”。幸運的是，第一次試驗就發(fā)現與金屬釓相當的高磁熵變效應，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《物理評論快報》（1997），引起國內外同行的廣泛關注，至今已被631篇SCI論文所引用。

磁學界權威性系列叢書《磁性材料手冊》第12卷第四章《在相變點附近的磁卡效應》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的代表性工作加以介紹，肯定了他們開拓此領域所作的貢獻，并將鈣鈦礦氧化物列為新型高溫磁制冷工質。著名磁學家Coey在《物理學進展》（1999）發(fā)文時引用該文并指出：“室溫附近，中等磁場下，錳鈣鈦礦的磁熵變可與釓（Gd）相當，其居里溫度通過組成可調，化學穩(wěn)定性佳、價廉，使混合價錳鈣鈦礦氧化物成為寬溫區(qū)十分感興趣的磁制冷工質?！?/p>

磁熵變效應是磁制冷材料的最重要特性，是新型高溫磁制冷機實用化的關鍵之一，高溫磁制冷機一旦得到廣泛應用研究，將引發(fā)一場工業(yè)革命。這就是都有為這些基礎研究工作者的研究動力。

除了組織科研組系統開展鈣鈦礦化合物的磁熵變研究外，都有為又將研究領域擴展到金屬、合金以及半金屬材料領域，希望通過不懈的努力，爭取高溫磁制冷機最終走向實用化。

在進行鈣鈦礦龐磁電阻效應研究時，當時研究的溫度范圍均處于居里溫度附近、金屬/絕緣體相變點，所研究的樣品大多為大晶粒的多晶體，磁電阻效應只在居里溫度附近出現峰值。都有為指導博士生張寧重點研究了當晶粒尺寸減少到納米尺度時對鈣鈦礦龐磁電阻效應的影響，發(fā)現除居里溫度附近的本征龐磁電阻效應外，在低溫會呈現由于晶粒間隧道效應產生的隧道磁電阻。這一創(chuàng)新發(fā)現發(fā)表在《物理評論B》（1997），至今已被322篇SCI論文所引用，被大多數論文引為小顆粒體系的典型實驗結果，晶界隧穿模型被列為兩個具有代表性的理論之一。

在多晶鋅鐵氧體磁電阻效應研究中，都有為的博士生陳鵬意外發(fā)現室溫巨磁電阻效應。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與交換偏置場的測量，證實該機制的正確性。這個成果發(fā)表在《物理評論快報》，迄今已被85篇SCI論文引用，該工作被推薦為2002年國際磁學會議邀請報告。

2004年，都有為科研組的研究成果《新型的氧化物磁制冷工質與隧道型磁電阻材料》獲國家自然科學獎二等獎。

老驥伏櫪，關注自旋電子學

這些年來，都有為一直關注著一門學科——自旋電子學，它是研究納米結構的材料中出現的一門全新學科。電子學研究以前只考慮電荷，不考慮自旋，現已發(fā)現，電子自旋特性同樣可以用到信息存儲上來。因此，在納米結構材料的電子輸運過程中，不僅僅要考慮電荷，同時還要考慮自旋，從而發(fā)展出自旋電子學的新交叉學科。

都有為早在上大學的時候，正好趕上南京大學計算機教研組的人做計算機，需要存儲器件，當時磁學組安排了幾個學生做存儲器用的磁性材料，其中就有都有為。通過這些年的觀察和分析，都有為認為，中國要在芯片上實現“自由”，甚至趕超世界先進水平，除了在半導體芯片產業(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用。

2009年，他通過中科院院部呈送報告給國家相關部門，希望自旋芯片的研究和產業(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告，希望國家層面重視自旋芯片，以實現對半導體芯片的彎道超車，徹底解決“卡脖子”問題；同時，他還自愿充當“黏合劑”，通過自身的影響和努力，促進國內相關的企業(yè)之間、企業(yè)跟高校之間聯合起來，加強自旋芯片的研發(fā)和應用。

雖已進入耄耋之年，都有為依然活躍在磁學和磁性材料科研領域第一線，為中國磁學事業(yè)的發(fā)展殫精竭慮。從1957年大學畢業(yè)留校至今，在60多年的磁學生涯中，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：南京農業(yè)大學人文學院）

自旋：未來的科技明星

■都有為

磁與電宛如一對孿生兄弟，難以分離。原子是物質的基本單元，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，但人們沒有進一步思考電流是如何產生的。最基本的原理是磁通量的變化產生電流，反之，電流產生磁場，因此，通常磁與電是相互關聯的。

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。以往人類社會的發(fā)展，從物理的觀點看來主要利用電子具有電荷的特性，如電工學奠定了第二次產業(yè)革命（電氣化）的基礎；電子學與微電子學奠定了第三次產業(yè)革命（信息化）的基礎，而自旋的作用僅體現在磁性材料及其器件中，例如電氣化中的發(fā)電機、電動機、變壓器等離不開磁性材料。同樣，信息化中儲存信息離不開磁盤、磁帶等。

20世紀80年代在（Fe/Cr/Fe）n納米多層膜中發(fā)現了巨磁電阻效應，這一發(fā)現開拓了在電子輸運過程中通過調控自旋，顯示與利用自旋特性的新領域，從而產生重要的自旋電子學學科。奠基于磁場調控自旋的特性，利用巨磁電阻效應—GMR與隧道磁電阻效應—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的主流地位，其產值超過300億美元。此外，各種利用磁電阻效應的新穎傳感器脫穎而出，自旋傳感芯片產值70億美元，自旋磁電信號耦合芯片產值50億美元，其應用領域十分寬廣。

鑒于其基礎研究的意義與寬廣的應用前景，發(fā)現巨磁電阻效應的法國科學家Albert Fert與德國科學家Peter Grünberg獲得了2007年度的諾貝爾物理學獎。

繼傳感器實用化后，與微電子技術相結合，采用電流重合法調控自旋，研發(fā)成磁隨機儲存器（MRAM），為了降低調控自旋的磁場電流，利用自旋轉移矩效應，采用自旋極化電流直接調控自旋的磁隨機儲存器（STT- MRAM）進一步降低功耗，使MRAM進入到重要的發(fā)展階段。2006年后已步入實用化，歐洲空客350就采用了MRAM；2012年提出同時利用電場調控自旋的低功耗的磁隨機儲存器（MeRAM）現正處在研發(fā)轉向應用的階段，上述不同類型的磁隨機儲存器可統稱為信息存儲與處理用的自旋芯片，可望自旋芯片成為后摩爾定律時代強有力的競爭對手。

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

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

本版組稿負責人：張佳靜

《中國科學報》 (2021-07-01 第8版 印刻)

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