诺贝尔物理学奖|梳理近70年诺奖成果，库叔发现了一个大秘密！慎点！太烧脑了…( 三 ) 价电子|原子|半导

光纤的出现为激光通信的大范围应用铺平了道路。在一根光纤中，可允许不同频率的激光同时传播且互不影响（光源之间不相干），因此信道容量远大于电线。尤其对于远距离通信，激光在光纤中的能量损耗远小于电流在导线中的损耗，因此光纤的发热量也远远小于电线。这些优势使得光纤激光通信成为了通信电缆的“完美”替代品。华人物理学家高琨是远距离低损耗光纤的发明人，他也因此获得了2009年诺贝尔物理学奖。

如今，激光通信使用的海底光缆已经遍布全球各大洋，将全世界连接起来。城市中每个家庭、学校和办公楼都有了光纤宽带入户，每一住户无论网线还是无线WiFi ，所有的信息都要从墙里的那根光纤进出。

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光纤激光通信已经成为了高速互联网的基础，支撑起了当今世界庞大的互联网产业。如果没有光纤激光通信，我们的信息传播会仍然停留在打电话的阶段，电线极低的信息传输速率和高损耗，使得互联网只能是极少数人的“奢侈品” ，并且只能发电子邮件，观看网络视频更无从谈起。

和半导体集成电路一样，这个源自于量子光学的发明——激光，成为了信息时代最重要的角色，彻底改变了人类的生活。

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巨磁阻效应和磁盘
信息存储的奥秘

前面提到，半导体和激光在信息时代的地位举足轻重，半导体集成电路负责计算，激光负责通信。此外，还有一个非常重要的层面——信息存储。 “计算—通信—存储”三者相辅相成，构成了信息的流动范围。

二进制信息的存储方式主要有三种：第一种是半导体存储，即半导体闪存原理，每个晶体管以是否导电来代表0或1 。我们平常使用的电脑内存条、U盘、固态硬盘等，都是半导体闪存。第二种是光存储，即光盘。在光盘材料上雕刻满微小的镜子，以反射的激光是否按照要求的方向来代表0或1 。第三种的历史最为悠久，那就是磁性存储，即利用固体的磁性来记录信息。

物体的磁性是量子力学决定的，而电子自旋是量子力学和狭义相对论结合的结果。每个电子都具有1/2自旋，当和电磁场（光子）相互作用时就表现出一个磁矩，即电子的自旋轴方向会和外界磁场方向趋于一致。

“当一个物体具备没有填满的电子轨道时，这些原子的电子自旋没有相互配对抵消，那么剩下的这些电子的自旋就会顺着磁场方向排列，即表现为顺磁性。当一个物体由电子轨道都被填满的原子组成时，顺磁性就会消失，电子轨道角动量因为电磁感应而产生的抗磁性会表现出来（远小于电子自旋的顺磁性）。当一个物体的原子最外层电子轨道刚好填满了一半，那么这些电子会自发地让自旋方向一致，从而保持能量最低。大量电子一致的自旋方向就让这个物体表现出了宏观的磁场，这个就是铁磁性的，例如磁铁。 ”

正是海森堡在1928年通过电子自旋给出了铁磁性的这个量子力学解释，让人们认识到物体的磁性直接来自于量子力学决定的电子自旋。

在二进制信息大规模使用之前，磁带已经作为模拟信号的存储方式得到了广泛的应用。即声音、影像等转化为模拟信号电流，通过电流的磁场变化把电流信号记录在磁带的磁性粉末的排列顺序上。信息读取时通过强磁性的磁头读取这些磁性粉末的排列，再转化为之前的电流信号。随着20世纪80年代计算机大规模普及，传统的磁带和磁头已经无法满足数字信息时代的需求。

1988年，法国物理学家菲尔特和德国物理学家格伦贝格发现了巨磁阻效应，即一种材料的电阻对外界磁场方向极其敏感。巨磁阻材料由两层铁磁性材料中间夹一层非铁磁性材料所构成。

当这两层铁磁性材料的磁矩方向相同时，巨磁阻材料的电阻会非常小。当这两层铁磁性材料的磁矩方向相反时，巨磁阻材料的电阻会变得非常大。所以用巨磁阻材料去扫描铁磁性颗粒，这些颗粒会改变靠近它的一层铁磁性材料的磁场方向（即磁化），而这个方向的改变会导致巨磁阻材料内部电流的巨大变化。

因此可以用微小磁性颗粒的磁场方向存储信息：用巨磁阻材料作为磁头，对应磁头上无电流和电流最大的两个磁场方向编码为0和1 ，这样就可以将大量比特存储在一张磁盘上，用巨磁阻磁头读写，这就是电脑硬盘的原理。