薛其坤量子世界作文 物质科学奖获奖人薛其坤讲神奇的量子世界
首先,跟各位介绍一下量子世界的基本概念和我们研究量子世界所需要的基本工具;
第二,以我这次获奖的主要成果和我们的研究历程,向大家展示一下量子世界的神奇和微妙;
第三,给年轻人一点感想和做一些简单的展望。
我们每天生活的宏观世界大家都非常了解。描述宏观世界经典物理学规律的基本规律就是牛顿力学,即牛顿的三大定律,最重要的是牛顿运动方程。在经典世界还有一个电磁学的经典规律,就是欧姆定律。导线中通过的电流与加在导线两端电压V成正比,与导线电阻成反比。这个电阻会导致我们导线发热,发热的大小热量Q等于电流平方乘以电阻和用的时间T。如果导线电阻越大消耗能量越多,所以我们一般会选择比较便宜的铜线。金导电很好,电阻非常小,但是金很贵,都用来给女士们做戒指了。
但到了量子力界,牛顿运动方程不再起作用,而是波动方程起作用。从连续的变化到量子的微观世界,我们很多的物理量,很多的操作器件用的参数都和经典的世界不一样,这时候会出现一系列奇妙的现象,甚至是诡异的现象。
第一个已经用到我们生活里的就是电子穿墙术。这时电子的流动不再遵守欧姆定律。这就像一个人,把我变成一个微观电子,我会穿过铜墙铁壁到外边去,而我这个人毫发无损,在量子力学上这叫电子的量子隧穿。还有我们今天获奖的内容之一,量子霍尔效应、超导、超流。
1981年的时候,由瑞士两个科学家 Binnig和Rohrer,利用电子量子隧穿发明了扫描隧道显微镜,五年之后的1986年他们获得了诺贝尔物理奖。
扫描隧道显微镜STM给我们提供了一个强大观察微观世界最明亮的眼睛,我们可以看到原子。想研究微观世界的量子世界必须有合适的工具,扫描隧道显微镜就是这样一个工具,而它依据的原理就是我刚才提到非常诡异的电子穿墙术。我用的主要实验工具之一就是这个用到神秘的量子隧穿原理的扫描隧道显微镜。
我们用量子现象给我们微观世界研究提供了非常强大的武器。在量子世界,有时候多一个原子少一个原子都不行,我们怎么能做出这种材料呢?大家都知道我们信息技术高速发展到今天,最根本的是材料,就是要做出非常高质量的半导体材料,我们只有做出非常高质量的半导体材料,我们才能在量子世界有所作为,如果材料不可控,我们研究会变的不可控,我们对电子器件的性能也会变的不可控。
在量子世界上,我们追求材料纯度是无止境的。如果10亿个硅原子排列成晶体,中间有一个杂质,相对于绝缘的硅,其电阻会变成三个量级,达到3000倍的变化。
这要求我们研究量子世界时,对材料控制要达到非常高的水平,这就需要非常强大的制备量子材料、探索量子世界强大的实验工具。
这方面也是我非常熟悉的工具之一就是分子束外延,这是上世纪七十年代、出生在北京的华人物理学家卓以和先生在美国贝尔实验室和他的同事J.Arthur先生开发的。量子世界多一个原子嫌多,少一个量子嫌少。用分子束外延技术就可以在量子世界达到这一境界,可以大有作为,我们可以做出最高质量的薄膜样品,做到化学成分严格的可控。
我1992年开始学习扫描隧道显微镜和分子束外延技术,二十多年了一直在这个领域里学习、探索,并且有所发展,能升级改造。后来我还学习使用了另一个强大的工具——角分辨光电子能谱。把这三个非常顶尖的技术在超高真空结合在一块,就有了这么一个如图所示的更强大的武器,这使我们研究量子世界时有了“金刚钻”。
让我们回顾一下过去。1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应,就是在磁场下材料的霍尔电阻随着磁场会线性增加的效应。加的磁场越大,电阻会越大,这叫霍尔效应,这是外加磁场造成的。如果我把这个材料换成一个磁性的材料,用材料本身产生的磁场也会产生霍尔效应,因为它行为不需要外加磁场,原理不一样,所以名字叫反常霍尔效应。
这是霍尔在1年多里发现的两个重要的现象。到了1980年,100年后,德国物理学家在研究我们集成电路硅器件时发现了整数量子霍尔效应,这个效应再次展现了量子世界的奇特。
1982年,把材料再换一下,换成砷化镓,就是做激光笔的半导体材料的时候,美国三个科学家发现了分数量子霍尔效应。1983年发现了拓扑物态,这是随着科学发展的另一个进展。
1985年德国科学家克利青因为整数量子霍尔效应的发现获得了诺贝尔物理奖。1998年,三个美国物理学家,包括华人物理学家崔琦先生,因发现分数量子霍尔效应获得1998诺贝尔奖。
大家更加熟悉石墨烯,石墨烯是2005年发现的,因半整数量子霍尔效应,发现者在2010获得诺贝尔奖。所以从霍尔效应到霍尔效应的量子化,不管是在硅中,砷化镓中还是石墨烯中,都因为这种奇特的量子效应而斩获诺贝尔奖。
