《人类科学技术史-389》凝聚态物理学的进展

凝聚态物理学的进展

当代物理学把固态物质和液态物质统称为凝聚态物质。固体物理学作为物理学的一分支学科，形成于20年代末。30年代，它以量子力学为基础蓬勃发展起来。第一本全面论述固体物理的书是1941年塞兹写的《近代固体理论》。它是固体物理奠基性的专著，对这一学科发展影响深远。凝聚态物理学是40-50年代由固体物理学发展而来的。它一方面扩大了研究对象，从晶体扩展到非晶体，还包括许多液体。另一方面，它在理论处理中更多地考虑了粒子之间的相互作用。凝聚态物理学是当代物理学中最庞大的一个部分，有许多分支学科，其中以半导体物理、超导体物理和非晶态物理发展最快，影响也最大。

1.固体物理学

1928年，美籍瑞士人布洛赫(1905-)利用量子力学的薛定谔方程求解电子在周期势场中的运动，建立了固体的能带理论。该理论认为：晶体中原子能级与孤立原子的能级不同；它由很多个彼此相隔很近的子能级构成，通常称为能带。能带理论为固体提供了一个普遍适用的微观结构模型。1933年，英国物理学家威尔逊(1874-1964)利用能带理论解释了金属、绝缘体和半导体之间的区别。

第二次世界大战以后，由于理论研究的深入和材料制备工艺技术的进步，固体物理学发展到了一个新阶段，不断取得新的成果并扩展和分化出新学科。首先，在理论方面，人们已开始探索凝聚物质中粒子的相互作用，在1947-1958年间拓展到凝聚物质的多粒子问题；凝聚态物理学也逐步形成。

其次，实验技术取得长足进展。电子顺磁共振、核磁共振等波谱学技术被广泛应用，使许多实验室都能制备液态氢。晶体生长方法的改进，可以使人获得极纯或没有缺陷的各种材料的单晶，为半导体及其他材料的发展提供了技术基础。超低温、超高压、超强磁场等极端条件的技术也迅速进步。1965年，荷兰科学家首先制造出稀释致冷机。80年代初，芬兰的劳纳兹玛(1930-)等人制成一台恒温器，其中铜核自旋已被冷却到5×10↑－8K。1989年，殷实等人在芬兰用级联核绝势去磁法得到了2×10↑－8K的最低温度。超低温技术的发展使人们认识到许多新的物理现象，超导体物理就是在此基础上发展起来的。1953年，美国通用电器公司设计了一种"BELT"型的高压装置，可产生约6万公斤／厘米2的压力。利用它在1955年首次合成了金刚石。

运用这些先进的实验手段，科学家们获得许多意外发现。近年来发现的C60就是其中之一。1985年，英国的克罗多等在研究激光辐照石墨产生的碎片中用质谱发现，存在另外一种碳形态——笼状碳簇合物，其粒子数为60。他们提出了C60的足球模型。足球表面由20个正6边形和12个正5边形组成。如果在每个顶点都放一个碳原子，正好是60个。这样一种特殊结构，具有高度稳定性。人们用擅长设计网笼结构的著名建筑师Buck－minsterFuller的名字，将这种笼状碳簇合物命名为BuckmisterFullerene，中文称为巴基球或富勒球。1990年，德国的克拉茨莫研究组用石墨电极在氦气中电弧放电，制备了较多数量的笼状碳簇合物，为C60的研究开创了新路。不久人们发现碱金属掺杂C60固体具有超导性，其超导转变温度达30K左右。目前有关C60的物理、化学等方面的研究已成为科学界关注的焦点。

1958年，安德逊发表了一篇"扩散在一定的无规点阵中消失"的论文。这项研究无序体系电子态的开创性工作，为非晶态材料的电子理论奠定了基础。1960年，美国的杜威兹等人用喷枪法获得非晶态Au-Si合金。这是制备非晶态金属的重要突破，并且开拓了非晶态金属的研究领域。1973年，美国联合化学公司生产的非晶态金属玻璃薄膜已经实现商品化。日本现在已大批量生产用非晶软磁合金制作的各类磁头。

1967-1969年，在安德逊局域化理论的基础上，莫特等人建立了非晶态半导体的能带模型。它认为非晶态半导体中的势场是无规变化的，但其无规起伏没有达到安德逊局域化的临界值，因此电子态是部分局域化的。这个模型虽尚未被普遍接受，但实际已成为非晶态半导体电子理论的基础。1975年，斯皮尔在硅烷辉光放电中引入硼烷和磷烷，制备出了P型和n型非晶硅。

1976年，美国的卡尔逊制造出世界上第一个非晶硅太阳能电池。这些成果使非晶半导体材料的应用展现出美好前景，引起各国科学家重视。90年代初，4叠层非晶硅氢太阳能电池的能量转换效率已达15％，并接近工业生产阶段。

1976年，莫特和戴维斯合著了《非晶固体中的电子过程》，对非晶态物理的理论作了进一步探讨。安德逊和莫特在非晶态物理方面的贡献，使他们荣获1977年诺贝尔物理学奖。

目前，非晶态物理的研究尚处于发展初期。随着理论的不断突破，它的应用范围将更广阔。

2.半导体物理

布洛赫的能带理论为半导体物理的形成奠定了理论基础。此后，威尔逊在用能带理论解释金属、绝缘体、半导体的区别的基础上，又提出了杂质能级的概念，对半导体导电机理有了新的认识。1939年，原苏联的达维多夫、英国的莫特、德国的肖特基各自独立提出了有关半导体整流作用的理论。

在理论探索的同时，从20-30年代开始，有人试图制造晶体管，但未能获得成功。

晶体管的发明是固体物理学发展的产物。而通过制订严密规划并组织科学家攻关，则促进了这一成果的取得。从30年代起，贝尔实验室研究部下属真空管分部主任凯利(1894-)一直考虑用某种新的器件取代真空管，因为真空管有许多缺点，不能满足电子技术日益发展的要求。凯利认为，应制订一个研究规划，深入地探索半导体，而先不考虑实用。1939年，凯利集中了一批优秀的青年科学家，给他们提供良好的条件和充分的研究自由。1945年，贝尔实验室成立了固体物理研究组。理论物理学家肖克利(1910-)任组长，成员有巴丁(1908-)和布拉顿(1902-)等人。他们拟订了周密的研究和实验方案，进行了艰苦的探索。肖克利提出了"场效应"的预言。巴丁提出了半导体表面态和表面能级的概念。这些都对半导体理论的发展做出了贡献。随着每一个新观点的提出，他们不断修正实验方案。1947年12月23日，他们终于成功了。巴丁和布拉顿在一块锗晶片表面安放了两根非常细的钨金属针。一根固定，另一根是加有负电压的可精密移动的探针。锗片背面焊有一根粗一点的金属丝。当探针移动到距离固定针0.05毫米处时，流过探针的电流发生微小起伏，竟引起固定针与锗片背面粗金属丝之间电流的大幅度变化。他们终于制成了世界上第一只点接触晶体管。肖克利等三人获1956年诺贝尔物理奖。1949年，肖克利小组又提出了Pn结的整流理论。1951年，他们又制造出nPn型和PnP型晶体管。1954年，美国得克萨斯仪器公司研制的第一只硅晶体管上市。1960年，霍恩尼公司和法尔奇德公司相继发明出平面晶体管，使半导体器件发展到一个新阶段，并为集成电路的产生和发展开辟了道路。

晶体管的出现，促进了半导体物理的发展。1958年，日本的江崎玲於奈(1925-）发现半导体中的隧道效应现象，并制造了隧道二极管。近年来发现的"电子-空穴液滴"现象引起人们的兴趣。1978年，科学家获得了电子-空穴液滴的照片，取得了研究的进展。物理学家希望对此研究会完全弄清纯半导体内的各种元激发间的相互作用，并开辟更广阔的应用前景。

3.超导物理学

早在1911年，荷兰的昂纳斯(1853-1926)首次发现了在4.2K时水银电阻突然消失的超导电现象。1933年，迈斯纳(1891-1959)发现超导体内部的磁场是保持不变的，而且实际上为零。这种完全抗磁性是超导体的另一个基本特性，被称为迈斯纳效应。1935年，伦敦兄弟(F.London，1900-1954；H.Lon－don，1907-1970)提出了描述超导体的宏观电动力学方程——伦敦方程。

第二次世界大战以后，超导物理研究发展很快。1950年，弗留里希(1905-　）提出电子和晶格振动之间的相互作用导致电子间的相互吸引是引起超导电性的原因。同年，麦克斯弗和雷诺等人同时独立发现，超导的各种同位素的超导转变温度T与同位素原子质量M之间存在如下关系：Tc∝M↑－α；对于一般元素，α～1/2这叫同位素效应。1957年，巴丁、库柏(1930-)和施里弗(1931-)共同提出了超导电性的微观理论：当成对的电子有相同的总动量时，超导体处于最低能态；电子对的相同动量是由电子之间的集体相互作用引起的，它在一定条件下导致超流动性；电子对的集体行为意味着宏观量子态的存在。这就是著名的BCS理论。它成功地解释了超导现象，标志着超导理论的形成，对后来的超导研究产生了极大的影响。1972年，巴丁三人共同荣获诺贝尔物理奖。

1962年，英国年仅22岁的研究生约瑟夫森(1940-)根据BCS理论计算出，由于量子隧道的作用，可以有一直流电流通过两个超导金属中间的薄绝缘势垒。这就是直流的约瑟夫森效应。他还提出了交流的约瑟夫森效应。他的预言被以后的实验证实。人们利用约瑟夫森效应制成了极其灵敏的探测器。1973年，约瑟夫森获诺贝尔物理奖。

自超导电性发现起，人们就尝试利用它为人类服务。但超导电性还不能在各领域广泛应用的障碍在于超导体的临界温度太低。因此，从昂纳斯的时代开始，人们一直在寻找高临界温度的材料。80年代以来，高温超导材料的研究取得长足进展。

1986年1月，瑞士的缪勒和柏诺兹经过3年艰苦探索，用钡镧氧化物获得了30K的超导转变温度。1986年4月，他们在德国的《物理学杂志》宣布了这一成果，但未引起同行重视。其原因之一是论文只提到了这一材料的零电阻效应，而没有对抗磁性作探讨。1986年10月，他们再次投稿，肯定了所制备的样品具有完全抗磁性。不过这篇论文迟至1987年才发表。1986年11月，日本的内田等人按照缪勒等人的配方制出了类似材料，并证实了它的完全抗磁性。至此，缪勒和柏诺兹的研究工作得到公认。缪勒二人共获1987年诺贝尔物理学奖。

1987年初，围绕高温超导材料展开了一场激烈的国际角逐，掀起了全球超导热。1987年2月，美籍华裔科学家朱经武用钇代替镧，获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷。3天以后，中国科学院物理所赵忠贤研究组用钇钡铜氧化物获得了起始转变温度93K的超导体。各国实验室不甘落后，纷纷用各种化合物进行探索。一段时间内，超导材料临界温度直线上升，简直是日新月异。1990年，日本日立研究所超导中心发现了钒系高温超导材料，其临界温度达132K，并更新了铜系超导理论。中国国家超导研究中心同年研制出锑铋系材料，临界温度也达132K。超导材料的应用也获得蓬勃发展。1990年7月，日本宣布制成大型核反应堆必不可少的超导线圈，效果提高了近千倍；此外还研制成世界上第一艘超导电磁推动船。中国科学院物理所于1990年9月研制出高温超导薄膜，达到世界先进水平。中国研制的高温超导量子干涉探测器已试用于野外地磁测量，初步试验结果令人满意，达到了世界先进的技术性能指标。

超导研究的下一个目标是使超导临界温度达到常温。人们正在探索新的途径，尝试用氟、氮、碳部分取代氧，或在钇钡铜氧化物中加钪、锶和其他一些金属元素。金属氢的超导电性也是目前科学家极力研究的一个课题。高温超导材料的突破，将导致一大群新技术的兴起，并将对人类文明产生深远的影响。