目前世界市场超过200亿美元的磁性产业已是现代工业的一块基石。近30年来磁性工业取得了十分迅速和突破性进展,其重要标志是多学科间的密切合作与渗透,将磁性科学的研究不断推向深入,一些新概念、新原理、新现象不断涌现,新材料与新应用也不断增多;由于新的生产工艺技术的不断采用,使传统材料得以更新提高,成为一个活跃的工业应用领域并进入了高新技术行列。
随着当代科技的迅速发展,磁性产品及其磁性理论(以下统称磁性科技)不断创新,尤其近年来出现了许多值得关注的前沿态势,从而推动了它在国民经济,国防建设诸领域中的广泛应用。

一、对传统磁性理论的挑战

磁学是研究物质磁性材料的一门学科,属物理学的范畴,凝聚态物理的一个分支。然而在新近的发展过程中却遇到了新的挑战,以下列举三个例证。
1.磁电子学的兴起
磁学一出现就具有很强的实用性,所以它的发展就同物理学、固体化学、电子学密切结合而向前迈进的。本世纪初物理学的两大基础—量子论和相对论的建立,使铁磁理论从唯象进到了微观,也为真空电子学发展到固体电子学奠定了基础。
磁学研究具有交换作用的电子自旋系统的合作磁性行为,而电子学是研究带有正或负电荷的载流子系统的电行为的。可是近年来,纳米科学技术和介观物理学的发展出现了一些需要磁学和电子学联合作用才能解释的新现象、新原理和新器件,如1988年发现的比各向异性磁电阻(AMR)效应的电阻变化大得多的巨磁电阻(GMR)效应,前者的电阻变化(△R/R)值为1%　2%,后者高达60%;1993年又在类钙钛石型结构的稀土锰氧化物中观测到了庞磁电阻(Colossal magnetoresistance ,CMR)效应,它的电阻变化又比GMR大,其△R/R值可达到103　106;新近发现的隧道结巨磁电阻(Tunneling magnetoresistance,简称TMR)效应,已引起世界各国的极大关注。IBM和富士公司已研制出△R/R为22%和24%的TMR磁性材料,它们不但涉及磁学和电子学,而且将在小型化和微型化高密度记录读出头、随机存取存储器和传感器中获得重要应用。又如纳米磁粉、磁膜的介观磁性都涉及到了复杂的动力学、磁有序系统的电子微结构理论计算、微磁显微与模型。
所以磁电子学的产生是以GMR、CMR和TMR效应的发现及材料研究和器件应用为基础的。我国在磁电子学方面的多层膜、颗粒膜、类钙钛矿型氧化物的GMR和磁光效应,层间耦合研究上取得了进展,在高密度记录、磁光信息存储、汽车,数控机床、自动控制系统中有着十分广泛而重要的应用,是这类高新技术的基础,国外正由基础研究向应用、开发和产业化方向发展。
微电子、光电子、光电子学都是利用了电子导电的群体行为,而电子所具有的自旋却未得到发挥。采用自旋结构技术的双极自旋晶体管就是采用一种由铁磁性—非磁性—铁磁性金属(F1-N-F2)三层几何结构的厚膜技术(图1),其结果就是一个具有依赖于F1和F2磁化方向的双极电压(或电流)输出的三端电流偏置器件,它是一种在非磁性层中自旋极化电子以有效塞曼能描述的热力学力驱动的有源器件。这种新型磁性晶体管显示出了许多独特的优越性能,如做成边长为100nm的芯片,其集成度为硅器件的100倍,GaAs的10　100倍;功耗可低至0.5　W;开关时间按近1ns;温度稳定性高;它可以有效地进行电流放大,应用到非易失性RAM、逻辑、LSI等装置上作为新型计算机和信息系统的重要组成部分。
2.分子磁性理论的建立
1985年美国犹他州立大学的化学家米勒和美国俄亥俄州立大学的物理学家艾普林等人同时发现了一种非金属磁性的物质,并称作“分子磁性物质”,其作用机理与金属磁有很大的不同,而且有些分子磁物质根本就没有金属原子,它具有重量轻、韧性好的特性,有的看起来透明或像塑料一样,其磁性可以通过化学反应或光来控制(金属磁是通过电来控制的),但分子磁物质只能在低温下保持磁性。然而在1996年1月东京大学的学者发现一种有机染料普鲁士兰却可以在负3℃下保持磁性,该磁性可通过化学反应来开关。1995年我国四川师范大学林展如教授用化学方法合成了一种新型高分子磁性化合物—金属高分子磁性材料,其磁导率(　)几乎与频率无关,比重极轻。
目前科学家们正在积极探求用电来控制分子磁性物质特性的方法,一旦成功必将给计算机、电子学、医学等众多行业带来巨大变革。
有机铁磁体的出现,扩展了磁性材料的视野,打破了传统的无机物所专有的金属的传导性、超导性和铁磁性这三大电磁特性,是对传统的磁性起源、交换作用等磁学基本理论的挑战;通常,磁性是由未满电子壳层的3d和4f金属、合金及其化合物所具有,而C、H、O、N等有机元素则是S或P电子的闭壳层,常呈现抗磁性。要使有机物质具有磁性必须引入未配对的顺磁中心(如各种过渡金属离子、有机自由基、极化子等具有自旋的准粒子及其组合等),并以某种方式引入顺磁中心间的相互作用,使顺磁中心自旋趋于一致。实践证明已获得的有机磁体可分为分子晶体、聚合物、电荷转移复合物和金属有机络合物四大类。但它们只在低温下有磁性,没有实用价值。Miller和Epstein现已开发出由非磁钒外包裹有机分子四氢乙烯(即TCNE)在75℃下都保持磁性的有机磁体。法国制成的普鲁士兰化合物在42℃时将其粘到其他磁体上(该化合物是有机团包围的钒和铬原子),因它们的原子是呈刚性晶板排列,增强了电子间的相互作用使其自旋取向一致。在室温下起作用的有机磁能弯曲,可作高密度磁性数据存储,改进人造心脏中的磁性阀。
新近日本大阪府立大学杉本教授等用含氟原子的苯醌衍生物(TCNQF4)及其与原子团阴离子的络合物,在室温25℃下合成了C、H、N和F组成的纯有机化合物。
有机磁的出现揭示出了许多生物之谜。
3.磁宏观量子效应(QTM)
所谓磁宏观量子效应是指原子内的许多磁性电子(指3d和4f壳层中的电子)以隧道效应方式穿透能垒导致磁化强度的变化,特别在极低温度(<10K)下发生经典到量子的转变。
1991　1992年Barcelona大学的Tejada实验组和IBM的Awschalom小组在实验上观察到了磁矩的量子隧道效应,标志着QTM研究正在进入凝聚态物理研究的最前沿。一般讲QTM有三种情形:(1)磁性单畴粒子或磁性粒子簇的M2的量子隧道效应;(2)反磁化过程中的量子成核,尤其适于铁磁性薄膜中;(3)磁畴壁的量子相关行为或磁性孤粒子。
QTM的最直接应用是在量子器件,比如SOUID的约瑟夫森结,因此QTM在量子测量上有着广泛的应用前景,在基础理论研究和实验技术上也具有巨大潜力。
QTM的前景在于未来信息的存储,1950年以来存储1bit所需的原子数,从1019个(1950年)下降到109个(1990年),到2010年只需103个(相当于半径1nm的颗粒)。由于元件减少,热干扰增加,因此只能在低温下工作,若温度为几K时则可在半径1nm元件内存储30年不变。所以用QTM可界定微电子元件的尺寸,使存储密度大大提高。美国明尼苏大学Stephe等提出了65Gb/in2量子磁盘的构想,比目前最高的磁存储密度大两个数量级以上。