都有为：专注磁学，成就有为人生

都有为（1936— ）

磁学与磁性材料专家，南京大学物理系教授，中国科学院院士。1936年10月出生于浙江省杭州市，1957年于南京大学物理系毕业后留校任教。长期从事磁学和磁性材料的教学和研究工作，在锰钙钛矿化合物的大磁熵变效应、锰钙钛矿化合物小颗粒体系中的隧道型磁电阻效应和磁性纳米微粒的小尺寸效应与表面效应，以及颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应、反常霍尔效应与微结构的依赖性等方面取得重要成果。2005年当选中国科学院院士。2007年获何梁何利科学与技术进步奖。

1963年4月，第一届全国磁学及磁性材料会议召开，国内最早成立磁学专业的五所高校的教师在无锡太湖之滨合影（前排左起：山东大学郭贻诚、北京大学叶企孙、南京大学都有为、吉林大学张裕普）。

1987年夏，都有为（中）与研究合作者邱子强（左一）、唐焕在美国约翰斯·霍普金斯大学校园内合影。

上世纪90年代初，都有为在做实验。

■杨坚

在杭州西湖边的茅家埠，一座古色古香、黑瓦白墙的宅院颇为引人注目，这就是向公众开放的都锦生故居。爱国实业家都锦生当年曾织出我国第一幅丝织风景画“九溪十八涧”，并创下杭州丝绸业的辉煌。

鲜为人知的是，从这座古老宅院里还走出了一位杰出的科学家，他为中国的磁学与磁性材料带来一系列具有开创意义的研究成果，在铁氧体、锰钙钛矿化合物的大磁熵变效应、颗粒膜的巨磁电阻效应等研究中发挥了重要作用。他就是南京大学物理系教授、中国科学院院士都有为。

都有为1936年10月出生于浙江省杭州市，出生后不久因日军侵略而家道中落。在艰苦环境下他自强不息，克服重重困难，利用一切机会勤奋学习，相继完成小学、中学的学业，并考取南京大学物理系，从此走上了与磁学结伴的人生之路。

家风熏陶，从小爱读书

都有为出生时家境尚为殷实。二哥都锦生在茅家埠的家中开办一定规模的丝织厂，建有两幢二层小楼，有一个大宅院，那时的都家被当地人称为“墙门里面的”（其居现被改建为“都锦生故居”，爱国主义教育基地）。都锦生还出资兴办茅家埠小学，让周邻的孩子来免费读书。1937年12月，日本侵略军攻陷杭州，都家遭到日军洗劫，一家人到处躲避。局势安稳后，都锦生出于民族气节，不愿出任杭州日伪政府的商会会长，生意兴旺的丝织厂倒闭，从此家道中落，都锦生也因奔波操劳而英年早逝。

家庭发生变故后，成年子女外出寻求发展，都有为和父母及其他年幼的兄弟姐妹则留在茅家埠老宅生活。父亲年老且有病在身，兄弟姐妹又多，全靠母亲一人忙里忙外。家里的四亩茶园收回后，母亲带着家人采茶、炒茶、卖茶，以贴补家用；另有十余亩地雇人耕种，解决了全家的温饱。

虽然局势不好，到了该读书的年龄，都家还是尽可能让孩子们去学校读书，恰如家中正屋里的对联所写，“子孙才，族将大”。

都家有个书房，藏书丰富，有古今中外的小说，也有其他各种各样的新奇书籍。因为父亲爱看书，家中也形成一种风气——没事的时候大家就去书房里看书。都有为还没上学、识字时，就爱与姐姐一起到书房。他有时候淘气，把书房里的化学试剂拿出来，倒过来倒过去玩，还把水银涂在一只铜球表面，拿到阳光下看那闪闪的银光而感到乐趣无穷。后来上了学，他渐渐地也跟哥哥姐姐一样，喜欢到书房里看书。都家的孩子因为读书多，在邻居的眼里，他们更孝顺、懂事、有礼貌。

不言放弃，结缘磁学

1947年，都有为进入杭州市立中学初中部学习。当时的杭州市立中学位于金沙港（现杭州西湖曲苑风荷景区），靠近岳坟，离家较远。因家里经济状况差，没有条件住校，都有为只能走读，每天步行一个多小时。

在学校，都有为接触到了更多的进步书籍、报刊，在语文老师袁卓尔的影响下，其思想认识也有了很大提升，对于国家、民族的情感更加深切。

1950年7月初中毕业后，都有为没能顺利升入杭州市高级中学。但他没有放弃，在家中边劳动边自学，于次年2月通过考试，进入该校读书。谁知刚上了一年，又因家庭变故而休学。在家参加劳动期间，都有为没有丢下书本，心里一直想着重返课堂。半年后投考杭州私立宗文中学，直接读高三，完成高中学业后参加高考，在物理老师的建议下报考南京大学物理系。

如愿考取南京大学后，都有为丝毫没有放松课程的学习，而是更加勤奋努力，在施士元、魏荣爵、程开甲、鲍家善、徐躬耦、程濬、周衍柏等学术大师的熏陶下，他逐渐展露出自己对于物理现象和规律理解上的优势。

当时很多课程没有教材，有的教师自己编讲义，也没有多余的纸印好发给学生，因此，上课的时候大家都要拼命记笔记。当时都有为主要靠助学金生活，有时放假同学们回家，他就留在学校里看书。

除了学习专业课程，他在紧张的学习之余还阅读了《钢铁是怎样炼成的》《战争与和平》等文学作品，看得如痴如醉。

1956年，南京大学物理系建立磁学专业，学习苏联模式成立教研室，微波物理学家鲍家善任磁学教研室第一届主任，当时参加筹建的还有翟宏如、蔡鲁戈、胡洪铨等人。都有为成为磁学专业第一届学生，毕业论文由鲍家善指导，从此与磁学结缘。

1957年，都有为大学毕业后留校，在物理系磁学组任助教。从那时起，虽因时代跌宕历经坎坷，但他始终没有离开过磁学，最终组建了自己的磁学科研组，为我国的磁学和磁性材料研究上下求索，作出了突出贡献。

白手起家，当起“破烂王”

留校工作后不久，和那个年代所有的知识分子一样，都有为中断了教学、科研，到基层参加劳动锻炼等。

那个时期科学研究与学术活动还在断断续续进行。1963年4月，由中国电子学会、中国物理学会合办的第一届全国磁学及磁性材料会议在江苏省无锡市召开，来自全国各地高校、研究所、企业等65家单位的114位代表参加了这次会议，提交论文85篇。会后，国内最早成立磁学专业的五所高校的教师在太湖之滨的蠡园相聚并合影留念，其中有中国磁学创始人、北京大学的叶企孙和山东大学的郭贻诚等人，都有为也参加了此次会议。

都有为的磁学研究是从一间地下室开始的。自1972年工农兵学员进校后，南京大学逐步恢复教学秩序。当时物理系在北大楼的地下室有一间磁学教研室公用的实验室，约30平米，但里面除了几台简易高温炉外空无一物，根本没有经费买设备。都有为和同事陆怀先便当起了“破烂王”，专门到化学系的走廊捡拾丢弃的瓶瓶罐罐，拿回实验室，用化学方法制备磁性颗粒样品。他们还自己制备、动手做测量仪器。实验室冬冷夏热，黄梅天里甚至要穿雨靴进实验室工作……

就是在这艰苦条件下，他们白手起家——磁记录颗粒、永磁磁粉等各种样品陆续从“土”设备中出炉，每年都有两篇论文在当时国内物理界最高水平的学术刊物《物理学报》上发表。

服务基层，解企业燃眉之急

“文革”结束后，都有为更是分秒必争。科研之外，他还积极参与江苏省磁性材料的生产，为企业无偿服务，提高产品质量，解决永磁铁氧体干压取向成型中提高磁粉在磁场中的取向度的难题等。

1982年，生产扬声器和微电机使用的永磁铁氧体产品的浙江诸暨磁性材料厂（以下简称诸暨厂），因为技术力量薄弱，质量上不去，产品大量积压、报废，企业濒临倒闭。一次，厂方偶然看到都有为撰写的《永磁铁氧体工艺进展》《永磁铁氧体的基础研究》两篇文章，受到启发。于是，厂长沈乃玄专程赶往南京大学恳请都有为担任该厂的技术顾问。

都有为从当年9月首次来到诸暨厂以后，在不影响校内教学、科研任务的前提下，先后7次前往该厂讲学，课后辅导技术骨干，回答职工提出的问题。除讲课外，他还多次给诸暨厂寄讲义、资料，并在一年多时间里陆续给工厂写了数十封信，不厌其烦地回答各种技术难题，提出注意事项。在普遍提高职工技术素质的基础上，他还帮助厂方建立了攻关小组，后来又推荐南京盛振翔工程师参与技术工作，把“提高钡铁氧体磁能积研究”作为突破口，把改造陈旧设备作为提高产品质量的关键。

经过一年多时间的努力，1983年12月，诸暨厂通过了磁能积研究课题的技术鉴定。自此，该厂因为产品质量的提高而重新打开销路，半年盈利27万元，并有7种产品出口。1984年，《光明日报》《浙江日报》《新华日报》等媒体纷纷对此进行报道。

2021年4月7日，都有为重访诸暨厂（现为诸暨安特磁性材料公司）。当年差点倒闭的工厂而今早已做强做大，永磁铁氧体粉体生产量居国内首位，年产值逾5亿元。

立足前沿，开展高温超导氧化物研究

1985年年底，都有为参加了“中美凝聚态物理合作计划”，赴美国约翰斯·霍普金斯大学任访问学者。

1986年初，适逢高温超导氧化物材料研究的兴起，都有为和南大校友、约翰斯·霍普金斯大学CUSPEA留学生肖钢（现为美国布朗大学教授、物理系主任），对如何制备高温超导氧化物的样品进行探讨，并一起制备样品。当时，都有为提出了对高温超导化合物钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O6+y）进行3d过渡族元素代换铜（Cu）的研究方向；与肖钢合作完成的论文发表在美国《物理评论 B》（1987），对理解高温超导的机理以及进一步开展高温超导体材料实验提供了启示，至今已被414篇SCI论文引用。

当时，都有为敏锐意识到这是非常重要的研究方向，于是便向其合作导师、从事穆斯堡尔效应的专家沃克（Walker J. C.）教授提出开展高温超导材料研究的建议。沃克教授对此欣然采纳，并让邱子强和唐焕二位博士生与都有为一起开展相关研究。都有为和他们用磁性稀土离子钆（Gd）取代Y离子，并采用微量的铁的同位素57Fe置换铜（Cu）作为探针元素，用穆斯堡尔谱学的方法研究高温超导体中的磁有序问题，这是一个新的研究方向。实验结果表明反铁磁有序与超导性共存的现象，这与本世纪初提出的相分离机制相一致，为了解高温超导氧化物的超导机制提供了实验的启示。

在美国三年，都有为与其他科研人员合作，共发表论文20余篇，被SCI刊物引用830余次。

一路攀登，摘累累硕果

1988年底回国后，都有为放弃了在国外的高温超导材料研究，重返磁学与磁性材料领域，开展磁性超细微粒材料的研究。

回到南京大学的实验室，依旧是一穷二白的老样子。但就在这样的条件下，都有为带领团队先后进行了磁性液体的研制与应用开发，高密度磁记录材料、金属（合金）、氧化物超细微粒的研制与性能研究等，为后续深入进行的纳米材料研究奠定了基础，积累了丰富经验。

1992年，凭借对磁性纳米材料的研究经验和成果的积累，都有为科研组成功争取到国家“八五”攀登计划中的“纳米材料科学”项目，由中科院上海硅酸盐研究所严东生院士和南京大学冯端院士任该项目首席科学家。以此为契机，都有为带领磁学科研组在国际上较早地开始了纳米材料磁性的研究，先后承担多项国家、省部级科研项目，购置了多种纳米材料的合成、性能检测设备，使科研组的科研工作条件有了质的飞跃，取得了一系列创新性的研究成果。

1995年，中科院固体物理研究所的张立德研究员与都有为共同出任“九五”攀登预选计划“纳米材料科学”首席科学家；1999年，都有为又争取到了“973”项目“纳米材料和纳米结构”的“08子课题”。

随着科研条件逐步改善，都有为团队的研究也在不断地发展和深入，研究方向延伸到纳米磁学的各个领域，先后开展了C60、纳米螺旋碳管、石墨烯、纳米颗粒、纳米线、颗粒膜、纳米微晶等纳米材料磁性的研究，开展了类钙钛矿氧化物、纳米结构材料，以及合金材料的巨磁电阻效应、磁热效应、磁弹效应、磁致伸缩效应等研究工作，在国内较早开展颗粒膜的磁光效应与磁电阻效应、反常霍尔效应的研究，进而又进入到自旋电子学的领域，开拓了半金属与稀磁半导体材料的研究，并取得了一系列创新性成果。

开拓求新，突破钙钛矿化合物研究

开拓新的研究方向与领域一直是科学工作者追求的目标。

上世纪90年代，钙钛矿化合物庞磁电阻效应的发现，在国内外掀起了继高温超导氧化物后的新一轮研究热潮。

此前，都有为即已安排学生做过铁氧体磁熵变的研究，在调控居里温度与磁熵变方面存在一些矛盾，此时也注意到钙钛矿化合物的居里温度可以通过离子代换很方便地进行调控，于是都有为便安排学生郭载兵的博士论文的研究工作由永磁铁氧体转向“钙钛矿化合物的磁熵变”。幸运的是，第一次试验就发现与金属钆相当的高磁熵变效应，从而为钙钛矿化合物的研究开拓了新的研究方向。研究成果很快发表在国际著名的《物理评论快报》（1997），引起国内外同行的广泛关注，至今已被631篇SCI论文所引用。

磁学界权威性系列丛书《磁性材料手册》第12卷第四章《在相变点附近的磁卡效应》一文中，将都有为科研组的论文作为钙钛矿化合物磁制冷工质的代表性工作加以介绍，肯定了他们开拓此领域所作的贡献，并将钙钛矿氧化物列为新型高温磁制冷工质。著名磁学家Coey在《物理学进展》（1999）发文时引用该文并指出：“室温附近，中等磁场下，锰钙钛矿的磁熵变可与钆（Gd）相当，其居里温度通过组成可调，化学稳定性佳、价廉，使混合价锰钙钛矿氧化物成为宽温区十分感兴趣的磁制冷工质。”

磁熵变效应是磁制冷材料的最重要特性，是新型高温磁制冷机实用化的关键之一，高温磁制冷机一旦得到广泛应用研究，将引发一场工业革命。这就是都有为这些基础研究工作者的研究动力。

除了组织科研组系统开展钙钛矿化合物的磁熵变研究外，都有为又将研究领域扩展到金属、合金以及半金属材料领域，希望通过不懈的努力，争取高温磁制冷机最终走向实用化。

在进行钙钛矿庞磁电阻效应研究时，当时研究的温度范围均处于居里温度附近、金属/绝缘体相变点，所研究的样品大多为大晶粒的多晶体，磁电阻效应只在居里温度附近出现峰值。都有为指导博士生张宁重点研究了当晶粒尺寸减少到纳米尺度时对钙钛矿庞磁电阻效应的影响，发现除居里温度附近的本征庞磁电阻效应外，在低温会呈现由于晶粒间隧道效应产生的隧道磁电阻。这一创新发现发表在《物理评论B》（1997），至今已被322篇SCI论文所引用，被大多数论文引为小颗粒体系的典型实验结果，晶界隧穿模型被列为两个具有代表性的理论之一。

在多晶锌铁氧体磁电阻效应研究中，都有为的博士生陈鹏意外发现室温巨磁电阻效应。都有为提出可采用存在反铁磁耦合层的隧穿物理模型来解释，后来他采用高分辨电子显微镜的观测与交换偏置场的测量，证实该机制的正确性。这个成果发表在《物理评论快报》，迄今已被85篇SCI论文引用，该工作被推荐为2002年国际磁学会议邀请报告。

2004年，都有为科研组的研究成果《新型的氧化物磁制冷工质与隧道型磁电阻材料》获国家自然科学奖二等奖。

老骥伏枥，关注自旋电子学

这些年来，都有为一直关注着一门学科——自旋电子学，它是研究纳米结构的材料中出现的一门全新学科。电子学研究以前只考虑电荷，不考虑自旋，现已发现，电子自旋特性同样可以用到信息存储上来。因此，在纳米结构材料的电子输运过程中，不仅仅要考虑电荷，同时还要考虑自旋，从而发展出自旋电子学的新交叉学科。

都有为早在上大学的时候，正好赶上南京大学计算机教研组的人做计算机，需要存储器件，当时磁学组安排了几个学生做存储器用的磁性材料，其中就有都有为。通过这些年的观察和分析，都有为认为，中国要在芯片上实现“自由”，甚至赶超世界先进水平，除了在半导体芯片产业上加大投入外，自旋芯片也是一条新路。因此，都有为十分重视自旋芯片的研究和应用。

2009年，他通过中科院院部呈送报告给国家相关部门，希望自旋芯片的研究和产业开发能受到重视；2013年年底，他又通过院士建言的方式再次呈交报告，希望国家层面重视自旋芯片，以实现对半导体芯片的弯道超车，彻底解决“卡脖子”问题；同时，他还自愿充当“黏合剂”，通过自身的影响和努力，促进国内相关的企业之间、企业跟高校之间联合起来，加强自旋芯片的研发和应用。

虽已进入耄耋之年，都有为依然活跃在磁学和磁性材料科研领域第一线，为中国磁学事业的发展殚精竭虑。从1957年大学毕业留校至今，在60多年的磁学生涯中，都有为始终与国家科技事业的发展同频共振，而自强不息、自主创新的精神也一直贯穿于他的奋斗历程……

（作者单位：南京农业大学人文学院）

自旋：未来的科技明星

■都有为

磁与电宛如一对孪生兄弟，难以分离。原子是物质的基本单元，原子核以及组成原子核的基本粒子都具有磁矩，但其中中子、微中子等具有磁矩却没有电荷。从此角度考虑，磁比电更具有普适性。

然而，人们对于电的了解更胜于磁。追其原因，人们的日常生活离不开电，但人们没有进一步思考电流是如何产生的。最基本的原理是磁通量的变化产生电流，反之，电流产生磁场，因此，通常磁与电是相互关联的。

磁的基本单元是自旋磁矩，电荷与自旋都是电子的本征特性。以往人类社会的发展，从物理的观点看来主要利用电子具有电荷的特性，如电工学奠定了第二次产业革命（电气化）的基础；电子学与微电子学奠定了第三次产业革命（信息化）的基础，而自旋的作用仅体现在磁性材料及其器件中，例如电气化中的发电机、电动机、变压器等离不开磁性材料。同样，信息化中储存信息离不开磁盘、磁带等。

20世纪80年代在（Fe/Cr/Fe）n纳米多层膜中发现了巨磁电阻效应，这一发现开拓了在电子输运过程中通过调控自旋，显示与利用自旋特性的新领域，从而产生重要的自旋电子学学科。奠基于磁场调控自旋的特性，利用巨磁电阻效应—GMR与隧道磁电阻效应—TMR，首先制备成高灵敏度的磁盘读出磁头，使磁盘的记录密度提高千倍，至今保持着信息存储的主流地位，其产值超过300亿美元。此外，各种利用磁电阻效应的新颖传感器脱颖而出，自旋传感芯片产值70亿美元，自旋磁电信号耦合芯片产值50亿美元，其应用领域十分宽广。

鉴于其基础研究的意义与宽广的应用前景，发现巨磁电阻效应的法国科学家Albert Fert与德国科学家Peter Grünberg获得了2007年度的诺贝尔物理学奖。

继传感器实用化后，与微电子技术相结合，采用电流重合法调控自旋，研发成磁随机储存器（MRAM），为了降低调控自旋的磁场电流，利用自旋转移矩效应，采用自旋极化电流直接调控自旋的磁随机储存器（STT- MRAM）进一步降低功耗，使MRAM进入到重要的发展阶段。2006年后已步入实用化，欧洲空客350就采用了MRAM；2012年提出同时利用电场调控自旋的低功耗的磁随机储存器（MeRAM）现正处在研发转向应用的阶段，上述不同类型的磁随机储存器可统称为信息存储与处理用的自旋芯片，可望自旋芯片成为后摩尔定律时代强有力的竞争对手。

自旋芯片优点如下：非易失性、抗辐射性、高集成度、高运算速度、低功耗、长寿命。自旋芯片属于核心高端芯片，是科技关键核心技术，可军民两用，具有高达上千亿美元的巨大市场前景，有可能成为后摩尔时代的主流芯片，是高科技的重要战略领域，当引起我国高度重视，急起直追。

20世纪也许可称为“电荷”的世纪，人们充分地调控电子具有电荷这一自由度，从而实现了人类社会电气化、信息化，创造出从二极管直到超大规模的集成电路、半导体芯片，奠定了信息社会的基础。21世纪，也许是属于“自旋”的新世纪，人们正在充分地利用、调控电子的另一个本征的自由度“自旋”，推动着社会迈向新的阶段。

本版组稿负责人：张佳静

《中国科学报》 (2021-07-01 第8版 印刻)

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