做学问也能精忠报国

2021-07-16 02:44李曼
科技创新与品牌 2021年5期
关键词:磁学磁性材料芯片

李曼

2021年4月21日,先进材料创新与应用发展峰会在成都成功召开。作为磁学与磁性材料学家,中国科学院院士都有为受邀参加论坛并作主旨演讲。繁忙的科研和教学工作之余,他每年都会抽时间参与科普活动,向社会公众科普传播磁学知识,为我国磁性材料领域深耕贡献力量,传递科学创新、科研报国的正能量。

稀疏的花发散落在头顶,透过厚厚的镜片,会迎上他充满睿智的眼睛,已是耄耋之年,却依旧神采奕奕,思维敏捷。每一次的演讲稿,都有为都要反复琢磨,只为讲出新意,将最前沿的磁学发展方向带给听众。他穷其一生钻研磁学,密切关注着我国的磁学发展,从落后到一路赶超,少不了他奋斗的身影。

精忠报国之志

早在春秋战国时期的《管子·地数》篇里,就有记载“上有慈石者,其下有铜金”,这也是我国最早关于磁的记载。随后,中国人还发现了磁石吸铁、同性相斥的特性并且制造出了我国四大发明之一指南针。然而,很长一段岁月中我国的磁学事业并没有实质的进展,世界上在磁学方面的重大研究与突破几乎全部来自于国外。

中国磁学发展逐步得到重视是在20世纪50年代,南京大学是最早开展磁学研究的五所高校之一。此时国内磁学领域的科研成果屈指可数,条件十分简陋,甚至连基本的实验设备都没有。但是,都有为并没有觉得做科研艰难,反而越来越享受科研事业带给他的快乐,能有如此豁达的心态,还要来自于他少年时代的精忠报国之志。

都有为算是出身于书香门第,家中藏书众多,也因此从小养成了阅读的好习惯,在书籍的海洋中他汲取到了许多知识,更是得到了心灵的慰藉。对他影响最深的,就是《岳飞传》。都有为生在杭州市茅家埠,距离岳飞墓只有2公里的距离,他常常到那里去游走,岳飞精忠报国的故事更是深深烙印在年少的都有为脑海中。从那时起,他就立下志向,作为中国人,就要为中国干一番事业。

这样的志向不仅来自于书中,也来自于家庭对他的影响,他的二哥都锦生就是他最好的榜样。都锦生被誉为爱国民族实业家,不仅在家乡兴办小学,还资助贫困学子上学甚至出国深造,更是利用自己机织专业的知识,独辟蹊径,利用不同颜色的丝绸织成一幅风景画,首创丝织风景,获得了国际博览会金奖。二哥敢于创造创新的经历让都有为受益匪浅,一腔热血亟待挥洒,同时他也认识到要干一番事业,创新性尤为重要。

筚路蓝缕之业

1953年,都有为考入南京大学,成为了我国第一届磁学专业的学生。那时的磁学专业借鉴苏联的经验成立,分得很细,比如半导体、磁学、低温等等,在这里他遇到了许多从国外归来的优秀老师,如同海绵吸水般的不断汲取专业知识。随着电子技术在无线电、微波、脉冲等方面的迅速发展,磁学的研究受到一定的推动,新技术对于磁性材料的要求也在不断提高,他毕业之际被分配留在南京大学任教,也给了他施展才华的大好时光。

但令他想不到的却是,刚毕业的都有为被下放到村子里劳动锻炼,吃苦不怕,真正考验的是他的信念。“大学毕业后,有近20余年的时间,我都没能好好翻过一次专业书,更别提坐下来认真开展一项试验了。”都有为不禁感慨,1978年再次回到讲台,已经是20年后的事情了。

磁学研究是一个需要大量开展实验的学科,重返南京大学磁学组,这里却是一穷二白,没有设备,没有资金,也没有人员。都有为的磁学研究是从一间30平方米的地下室开始的,实验室的很多设备都是七拼八凑而来。他常常去化学系淘一些别人不用的天平、废旧的瓶瓶罐罐,自己改装一下,制作成样品制备和测量设备,带着基础薄弱的工農兵学员边学习边做实验。如此艰苦的条件下,都有为的实验室依旧做出了磁记录颗粒、永磁磁粉等各种样品,这些磁性材料可以涂敷在磁带、磁盘、磁卡等表面,用来记录和存储信息。除此之外,他每年都会在当时国内物理学界最高水平的杂志《物理学报》上发表两篇论文,为我国磁学发展积蓄力量。

宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来。他的研究成果先后获得国家自然科学二等奖一项、江苏省科技进步一等奖一项、省部级科技进步二等奖四项,以及2007年度的何梁何利科学技术进步奖。

都有为向后辈们分享他的科研心得是,作为一个科研工作者,科学本身诞生于人类对大自然的好奇心,所以整个科学的发展,最原始的推动力就是好奇心,最基础的研究也需要好奇心。拥有好奇心,你才有兴趣钻进去研究。

探索成果转化之径

“磁学中许多基本问题都是国外发明解决的,只有我们自己做出产品来,才能代表中国的工业水平、科技水平。”

自改革开放以来,都有为就开始帮助磁性材料的生产企业解决技术难题、提高企业产品质量。1984年左右,浙江诸暨磁性材料厂厂长专程到南京来求助都有为,他的企业生产了许多锶铁氧体永磁材料,但是性能不好,卖不出去。都有为耐心地为他讲解生产原理,提出具体的改进建议,再由企业自己的工程师带着做。另外,都有为请来了南京其他永磁材料厂的一些工程师,到诸暨去帮助。大概经过一年的时间,诸暨磁性材料厂的产品发生质的飞跃,甚至出口国外。

后来陆续有企业来找都有为,他都会悉心帮助企业解决问题,结合国内、外行业发展的情况为企业的发展提出建议。将科研成果转化成生产力,在这条产学研结合的探索路上,都有为坚持了30多年,在浙江、南京、江苏分别建立了院士工作站,全心全意帮助企业创新发展。“为企业服务,当时是没有任何报酬的,虽然对研究工作来讲这是简单的事情,但是能够在生产上应用,我觉得很有意义。”

近几年,中国磁性材料企业发展很快,专业从事磁性材料生产的企业也越来越多。但是,过度依赖劳动力资源、加工工艺不稳定、规模小等问题依旧摆在眼前。“这跟我们整个工业基础有关,之前我们工业基础、机械加工能力都比较弱,现在慢慢赶上来了,所以我相信以后在自动化、智能化方面也会赶上来。”

在都有为看来,企业要跟科研高校、院所联合在一起,磁学研究是一个应用性极强的科学领域,实验室中的科研成果转化为实际产品,才能实现社会价值,从而支撑产业的蓬勃发展。“产学研结合的过程中,一定要注重我们的知识产权保护,从前我们总是要到别人的手里买技术,这点让我记忆犹新。现在,我们在创新发展的过程中也要牢牢握住自己的专利,不能让别人窃取我们的果实。”

磁学发展之舵

从指南针的发明,到磁性存储设备的应用,再到核磁共振等医疗设备的研发,磁学应用在一定程度上改变了人们的生产生活。都有为告诉记者,磁性材料属于基础性的功能材料,凡是有电的地方都要用到磁,因此整个社会现代化发展离不开磁性材料。不仅如此,磁性材料的应用面也很广,包括未来人工智能化发展也需要磁性材料来发挥作用。

都有为认为,自旋芯片属于核心高端芯片,是科技关键核心技术,具有高达上万亿美元的巨大市场前景,有可能成为后摩尔时代的主流芯片。

他告诉记者,芯片原理简单,目前计算机采用二进位运算,只要有两个稳定的、能快速转化的物理状态,就可以用0和1代表进行运算。比如半导体芯片利用晶体管的通与断,即电荷存在与否代表0和1;自旋芯片利用自旋朝上与朝下两个状态代表0和1。但是,芯片制备却非常麻烦,需要5000道工序。一颗芯片只有指甲盖大小,其中却有数公里长的导线,几千万根甚至数亿只晶体管。

实际上,与电荷一样,自旋也是电子的本征特性,随着自旋电子学这一学科的发展,其在很多领域中崭露头角。据了解,自旋芯片是各类磁随机存储器(MRAM)的统称,共经历了MRAM、STT-MRAM、MeRAM等三个发展阶段。在此期间,不同的国家或者企业都在积极推动自旋芯片的发展。在2008年日本卫星上就用自旋芯片全面替代半导体芯片;2009年,法国投入420万欧元资助研制自旋电子可编程逻辑器件;2013年欧洲空客A350飞机就开始采用自旋芯片控制系统;2019年韩国三星宣布將进入量产MARA。

从2017年开始,中国企业也在积极布局自旋芯片,台湾积体电路制造股份有限公司在南京建厂拟生产自旋芯片;2018年,杭州驰拓、上海磁宇、中芯国际、华为等筹建自旋芯片的研发、生产线。

“自旋芯片兼具SRAM的高速度、DRAM的高密度和Flash的非易失性等优点,是科技关键核心技术,可军民两用,具有高达上万亿美元的巨大市场前景,有可能成为后摩尔时代的主流芯片。这对提升国家高科技水平和增强国防安全意义重大,国外不会白白让高端科技在中国生根发芽,国家应予以高度重视与支持,否则必将受制于国外,重走半导体芯片落后的覆辙。”都有为对发展自旋芯片信心十足,为磁学的下一步发展舵定方向。

从青葱少年到白发苍苍,从没有几个人的磁学小组到如今全国数千人从事磁学研究,从一穷二白的实验室到不断更新的先进设备,从只能引进国外的磁性材料到如今我国磁性材料产能居世界首位,都有为作为学科的领路人,为我国磁学研究做出了巨大贡献。他陪伴中国的磁学事业走过近七十年载的光阴,与我国的磁学史共同成长。一路走来,都有为践行了自己精忠报国的志向,如今,他依旧饱含热情行走在科研第一线。

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