1973年諾貝爾物理學獎——隧道現(xiàn)象和約瑟夫森效應的發(fā)現(xiàn)

1、1973年諾貝爾物理學獎隧道現(xiàn)象和約瑟夫森效應的發(fā)現(xiàn)1973年諾貝爾物理學獎一半授予美國紐約州約克城高地(YorktownHeights)IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈(LeoEsaki，1925)，美國紐約州斯琴奈克塔迪(Schenectady)通用電器公司的賈埃沃(IvarGiaever,1929)，以表彰他們分別在有關半導體和超導體中的隧道現(xiàn)象的實驗發(fā)現(xiàn)；另一半授予英國劍橋大學的約瑟夫森OBrianJosephson,1940)，以表彰他對穿過隧道壁壘的超導電流所作的理論預言，特別是關于普遍稱為約瑟夫森效應的那些現(xiàn)象。江崎玲於奈1925年3月12日出生于日本大阪的一個建筑師家庭里，193

2、8年，江崎進入同志社中學，三年后父親去世。江崎自幼就表現(xiàn)出對科學的濃厚興趣，喜歡閱讀科學家傳記故事，立志要作像愛迪生和馬可尼那樣的發(fā)明家，小時自己動手制作電動火車和汽車模型。1940年，他以優(yōu)異成績越級進入京都第三高等學校。1944年初提前畢業(yè)。同年10月，江崎進入東京帝國大學攻讀實驗物理。在大學期間，為維持生計勤工儉學，做晚間家庭教師。他認真學習了數(shù)學和物理課程，并自學物理學專著。1947年，江崎獲碩士學位，有機會進入神戶工業(yè)股份有限公司研究真空管熱電子發(fā)射現(xiàn)象。他由此接觸到固體表面物理化學性質(zhì)和真空管材料技術。由于這項研究與強外電場作用下的冷金屬表面電子發(fā)射現(xiàn)象有關，他對固體中的隧道效應發(fā)

3、生了興趣。1950年，他轉(zhuǎn)入對半導體材料和晶體管的研究。這時，晶體管剛剛發(fā)明。1956年江崎辭去神戶公司的工作轉(zhuǎn)入索尼公司。在索尼公司領導了一個小組對半導體二極管內(nèi)電場發(fā)射機理進行研究。這項研究主要考查窄寬度pn結(jié)的導電機制。p-n結(jié)中內(nèi)電場分布取決于雜質(zhì)的分布。當時許多研究者都把提取含雜質(zhì)少的高純半導體材料當作目標，而江崎選擇了相反的路線，他嘗試制備高摻雜的鍺pn結(jié)器件。1957年初江崎首先獲得了摻有高濃度雜質(zhì)的鍺精制單晶體做成了薄pn結(jié)。他發(fā)現(xiàn)這種薄pn結(jié)的正向電阻特性沒有變化，但反向電阻卻呈直線下降趨勢。隨后，江崎增大了摻雜濃度，使結(jié)寬進一步變窄。當濃度達到1018cm-3以上時，pn結(jié)

4、的施主和受主濃度都高到使結(jié)兩側(cè)呈簡并態(tài)，費米能量完全占據(jù)了整個導帶或價帶內(nèi)部。江崎發(fā)現(xiàn)，在這種隧穿路程極短的情況下，所有溫度條件下都可以觀察到負阻現(xiàn)象。負阻現(xiàn)象所對應的電壓遠低于人們熟知的擊穿電壓。江崎用量子力學理論令人信服地證明了這正是人們長期以來所尋找的隧道效應，這項研究確立了隧道效應在半導體材料中的存在。接著，江崎利用這種半導體pn結(jié)中的隧道效應研制出一種新型半導體器件一一隧道二極管。這種二極管具有獨特而優(yōu)異的反向負阻特性，可在開關電路、振蕩電路、微波電路以及各種高速電路中獲得廣泛應用，成為現(xiàn)代電子技術中最重要的器件之一。正是這項貢獻使江崎于1973年獲得諾貝爾物理學獎。1958年，江崎

5、進一步研究了硅、銻化銦、砷化鎵、砷化銦、碲化鉛、碳化硅等金屬氧化物半導體材料的pn結(jié)，證實它們也有類似的負阻特性。用這些材料制成了多種隧道二極管。70年代，江崎在研究砷化鎵等材料的周期性超晶格結(jié)構(gòu)時，指出這些材料的負阻效應的工作頻率上限遠高于當時已知的任何半導體器件，為后來微波、毫米波、亞毫米波電子學發(fā)展提供了制作器件的切實依據(jù)。江崎研究硅隧道二極管時，精確分析了隧穿電流，揭示了材料的電子狀態(tài)，說明了隧穿電子與勢壘中的聲子、光子、等離子體量子甚至分子類振動模式之間的相互作用。這些對隧穿物理機制的研究，開創(chuàng)了一門新興學科隧穿波譜學。1959年，日本東京大學授予江崎理學博士學位。1960年，江崎遷

6、居美國，任國際商用機器公司(IBM)中央研究所研究員。江崎與賈埃沃共享1973年諾貝爾物理學獎的一半。他們都是由于隧道現(xiàn)象的研究，江崎由于發(fā)現(xiàn)了半導體中的隧道現(xiàn)象，而賈埃沃則因為發(fā)現(xiàn)了超導體中的隧道現(xiàn)象。賈埃沃1929年4月5日出生于挪威的卑爾根（Bergen）,并在那里受教育。1954年他以一名機械工程師的身份移民到了加拿大，進入加拿大通用汽車公司。1956年他參加工程師培訓班，到美國紐約州通用電氣研究所，與該所的電氣實驗室簽訂了6個月的合同，負責有關熱流的研究項目。就在這段期間，賈埃沃注意到這個實驗室里還有一個研究課題是有關固體物理學的，這個課題對他更有吸引力，于是在合同期滿時轉(zhuǎn)到了這個小

7、組。同時，賈埃沃還在一所工科學院選修高級物理課程。這一階段的學習對他后來的工作有相當重要的影響。這個固體物理小組中有一位物理學家名叫費希爾（J.Fisher）,曾對薄膜中的電子的特性作過研究。根據(jù)BCS理論可以證明，在超導體中有能隙禁區(qū)存在，如果把具有禁區(qū)能量的電子注入超導體，這些電子就會受到禁區(qū)的排斥。費希爾認識到這一結(jié)論的重要性，極力主張以實驗予以證明。賈埃沃就成了他的合作者。從一開始，費希爾和賈埃沃利用朗繆爾膜研究薄膜性質(zhì)。他們試圖把金屬電極安放在單分子層的兩側(cè)并測試其間的電導，但是這個實驗太復雜，也不很可靠，他們不得不放棄。隨后他們轉(zhuǎn)而采用鋁-氧化鋁-鋁薄膜做了一系列實驗，研究電流、電

8、壓與膜厚及溫度的關系。實驗表明，通過阻擋層的電流是由于電子隧道效應引起的。經(jīng)過一年的努力工作，賈埃沃不僅學到了物理學的有關理論，而且很好地掌握了有關實驗技術。1959年底，費希爾的工作重點轉(zhuǎn)移到別的領域，賈埃沃開始獨立地開展研究。鋁-氧化鋁-鋁薄膜的溫度很低時，可以觀測到一種特殊的效應，鋁在低溫時是超導體，也許這一效應正是超導電性的一種表現(xiàn)。于是自然會想到，如果把這種薄膜放到低于1.2K的極低溫觀測，應該會有明顯的效應。可是賈埃沃拒絕了這個建議。他認為大部分電阻來自阻擋層，如果只是金屬的電阻消失不會使阻擋層的電流發(fā)生如此大的變化。如果仔細研究以前一系列的實驗結(jié)果就會發(fā)現(xiàn)，賈埃沃的論點是太荒謬了

9、。然而這并不奇怪，在當時賈埃沃根本不知道超導體中在費米能級處有能隙。甚至在一開始時他連江崎發(fā)現(xiàn)了半導體隧道效應都不知道。作為只有一年經(jīng)歷的物理學工作者，他不可能像受過常規(guī)訓練的物理學家那樣知道早該知道的一些事。在他周圍的固體物理學家也沒有向他提醒要注意超導能隙這一基本概念。1960年初，人們再次提出把結(jié)合膜的溫度降低到超導轉(zhuǎn)變溫度之下，這時，賈埃沃正好在超導課程中學到了能隙概念。他立刻聯(lián)想到，有可能存在隧道電流效應。他把自己的想法告訴費希爾等人。費希爾認為能隙不一定有這么重要，因為它太小了。不過，他們主張賈埃沃不妨試試。賈埃沃用鋁-氧化鋁-鉛結(jié)合膜作實驗，因為鉛在7.2K就會成為超導體。最初的

10、兩次實驗失敗了，因為樣品的氧化層太厚。第三次實驗，他不是仔細地氧化第一層鋁條，而是簡單地把它放在空氣中暴露幾分鐘，再放回蒸發(fā)臺去沉積交叉的鉛膜。這一方法做成的氧化層大約只有3X10-9m厚，所以，很容易就用現(xiàn)成的設備測出電流電壓特性曲線。所得結(jié)果正是預期的隧道效應。賈埃沃立即用不同的樣品重復這個實驗，都毫無例外地出現(xiàn)了隧道效應。對于超導電性，按照BCS理論，超導電流是由電子對構(gòu)成的。1957年。巴丁、庫珀和施里弗建立了超導微觀理論（也叫BCS理論）成功地解釋了超導體的各種性質(zhì)。這個理論的關鍵在于庫珀提出的電子對概念。應該說，BCS理論的重要成果之一就是導致了約瑟夫森效應的發(fā)現(xiàn)。但是約瑟夫森作出

11、發(fā)現(xiàn)的直接起因還是由于受到賈埃沃發(fā)現(xiàn)超導體隧道效應的激勵。約瑟夫森1940年1月4日出生于英國威爾士的加迪夫（Cardiff）。1960年在劍橋大學三一學院獲學士學位。1962年，約瑟夫森正在英國劍橋大學當研究生。他從理論上作出預言，對于超導體-絕緣層-超導體互相接觸的結(jié)構(gòu)(也叫S-I-S結(jié)構(gòu))，只要絕緣層足夠薄，超導體內(nèi)的電子對就有可能穿透絕緣層勢壘，導致如下效應：(1) 在恒定電壓下，既有直流超導電流產(chǎn)生，也有交流超流，其頻率為2eV/h；(2) 在零電壓下，有直流超流產(chǎn)生，這一電流對磁場非常敏感，磁場加大，電流將迅速減小；(3) 如果在直流電壓上再疊加一交流電壓，其頻率為v,則會出現(xiàn)一零

12、斜率的電阻區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)電流有傅里葉成分，電壓V與v的關系為2eV/h=nv(其中n為整數(shù))。約瑟夫森作出上述驚人的理論預測不是偶然的。因為早在30年代就已有跡象表明超導隧道效應的存在。例如，霍爾姆(R.Holm)和邁斯納(W.Meissner)就曾從實驗得出如下結(jié)論：當兩金屬變成超導體時，兩金屬間的接觸電阻就會消失。1952年邁斯納的學生迪特里希(I.Dietrich)重復作了類似實驗。他在鉭(Ta)表面覆以TiO2或CeO2薄層，再以Ta為試探電極接觸。他測量了其間的電流，發(fā)現(xiàn)在某溫度下電阻消失。但是當時人們無法理解這些實驗結(jié)果的普遍意義。1958年江崎宣布發(fā)明了隧道二極管，這件事大大激

13、勵了人們對隧道效應的注意。正好這時BCS理論提出，一度被擱置的隧道效應到了徹底研究的時候了。前人的探索和BCS理論的指導使約瑟夫森對S-I-S超導結(jié)的行為作出了正確的數(shù)學分析。他在1973年和賈埃弗與江崎共獲諾貝爾物理學獎。在領獎演說詞中他回憶自己的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過。講道：“當我作為研究生在皮帕德(B.Pippard)教授指導下在劍橋皇家學會蒙德實驗室工作期間，一系列的事情導致了隧道超導電流的發(fā)現(xiàn)。當研究生的第二年(1961年1962年)，我們有幸去參觀了安德森(P.W.Anderson)教授的實驗室。他對隧道超導電流課題已作出了重大貢獻，其中包括許多未發(fā)表的結(jié)果，這些結(jié)果我后來也獨立地推出過。在劍橋

14、的講座中，他介紹了在超導體中'破缺對稱性'這個新概念，我被破缺對稱性的思想深深地吸引住了，思索在實驗上是否有任何對它進行觀測的方法?！薄敖又业孟べZ埃弗的隧道實驗。皮帕德考慮過一個庫珀對隧道貫穿絕緣勢壘的可能性，正如賈埃弗做過的，但是他認為兩個電子同時穿越的幾率太小，以至于不能觀測到任何效應。這個似是而非的論點現(xiàn)在知道是不正確的，然而它卻使我的注意力轉(zhuǎn)到了另外一種可能性，即通過勢壘的正常電流可以因相位差而改變。”“有一天，安德森給我看了他剛剛收到的從芝加哥寄來的預印本。在這篇文章中，柯恩(M.H.A.Cohen)、法利可夫(L.M.Falicov)和菲利普斯(J.C.PhiHi

15、pS)計算了流入超導-勢壘-正常金屬組成的系統(tǒng)的電流，肯定了賈埃弗公式?！奔s瑟夫森立即開始把這種計算推廣到勢壘兩邊都是超導的情況，得到的結(jié)果為I=IO(V)+I1(V)cos(Q)+Il(V)sin(Q)此處V為兩個超導區(qū)的電勢差，為位相差，其中“第一項對直流電流有貢獻，結(jié)果與賈埃弗的預計一致”，第二項正是約瑟夫森所期望的，然而“第三項完全沒有料到”。約瑟夫森反復檢查自己的計算，確證沒有錯誤。安德森幫助他作出解釋，使他有足夠的信心發(fā)表計算的結(jié)果。盡管安德森的解釋后來證明是不夠正確的，但是約瑟夫森得到很大啟發(fā)，因為安德森向他指出：“磁場的存在可能嚴重影響超導電流”。約瑟夫森接著回憶道：“皮帕德建議我親自通過測量在補償場中結(jié)的特性以觀測隧道超導電流。但結(jié)果是否定的比預期的臨界電流還小千倍的電流，就足以在結(jié)兩側(cè)建立可檢測的電壓。”“安德森終于領悟到在某些樣品中觀測不到直流超導電流的原因是：在高電阻樣品中，傳送到樣品測量接頭的電噪聲很大，產(chǎn)生的噪聲電流足以超過臨界超導電流。安德森和羅韋爾(J.M.Ro