凝聚态物理学发展

凝聚态物理学发展（推荐7篇）

凝聚态物理学发展 篇1

摘要：所谓“凝聚态”，指的是由大量粒子组成，并且粒子间有很强相互作用的系统。自然界中存在着各种各样的凝聚态物质。固态和液态是最常见的凝聚态。低温下的超流态，超导态，玻色-爱因斯坦凝聚态，磁介质中的铁磁态，反铁磁态等，也都是凝聚态。当代物理学把固态物质和液态物质统称为凝聚态物质。本文就凝聚态物理的内容和发展进行综合性的概述。

关键词：凝聚态凝聚态物理固体物理超导物理

引言: 凝聚态物理学是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。它是以固体物理学为主干，进一步拓宽研究对象，深化研究层次形成的学科。其研究对象除了晶体、非晶体与准晶体等固体物质外，还包括稠密气体、液体以及介于液体与固体之间的各种凝聚态物质，内容十分广泛。其研究层次，从宏观、介观到微观，进一步从微观层次统一认识各种凝聚态物理现象；物质维数，从三维到低维和分数维；结构从周期到非周期和准周期，完整到不完整和近完整；外界环境从常规条件到极端条件和多种极端条件交叉作用等,形成了比固体物理学更深刻更普遍的理论体系。经过半个世纪的发展，凝聚态物理学已成为物理学中最重要、最丰富和最活跃的分支学科，在诸如半导体、磁学、超导体等许多学科领域中的重大成就已在当代高新科学技术领域中起关键性作用，为发展新材料、新器件和新工艺提供了科学基础。前沿研究热点层出不穷，新兴交叉分支学科不断出现，是凝聚态物理学科的一个重要特点；与生产实践密切联系是它的另一重要特点，许多研究课题经常同时兼有基础研究和开发应用研究的性质，研究成果可望迅速转化为生产力.一、凝聚态物理学的历史和发展

凝聚态物理学起源于19世纪固体物理学和低温物理学的发展。70年代特别是80年代之后, 由于固体物理学和研究范围在不断扩大，其涉及的概念体系也开始变迁的转移，固体物理学这一名词常被“凝聚态物理学”所取代。随着液体物理，半导体物理，超导物理，纳米材料等科学的发展，凝聚态物理学逐渐成为物理学科内一门不可或缺的分支。

1.1.凝聚态物理学的萌芽时期——固体物理学的建立

固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。

19世纪，人们对晶体的认识逐渐深入。1840年法国物理学家奥古斯特·布拉维导出了三维晶体的所有14种排列方式，即布拉维点阵。1912年，德国物理学家冯·劳厄发现了X射线在晶体上的衍射，开创了固体物理学的新时代，从此，人们可以通过X射线的衍射条纹研究晶体的微观结构。

1984年发现准周期结构以及分形结构中波的传播都存在一些新现象。在低温下考虑波的相干性,电输运现象会出现一些新结果,在介观物理领域中观测到一系列反映量子相干性的效应。由此看来,固体物理学范式扩大,由周期结构到非周期结构,可以容纳许多物理学研究的新领域。能带理论是建立在单电子近似的基础上的,也就是说忽略了电子间的相互作用。但实际上这种相互作用总是存在,因而在能带的计算中需要引入相应的修正项。50—60年代发展起来的电子密度泛函理论较好地处理了这一问题,朗道的费米液体理论也表明了其元激发(准粒子)仍和费米气体相似,而相互作用则导致这些粒子“穿衣戴帽”。但是电子的相互作用也可能导致质的跃变;交换相互作用引起了铁磁性与反铁磁性,电子与声子相互作用导致了电子的配对(BCS理论)而出现超导电性。另外,电子间的相互作用也引发了金属到绝缘体的转变(莫特转变)。这些工作引起科学家对相变问题的重视。也引导了从固体物理学渐变为凝聚态物理学。

1.2凝聚态物理学的发展——诸多物理学科的融入

70年代特别是80年代之后, 由于固体物理学和研究范围在不断扩大，其涉及的概念体系也开始变迁的转移，固体物理学这一名词常被“凝聚态物理学”所取代。固体物理学的不足之处是对粒子之间相互作用不够重视也变得非常明显，凝聚态物理学的诞生正好弥补其不足之处。

从固体物理到凝聚态物理，凝聚态物理学的内容不断被充实、拓展，进而融入了液体物理，半导体物理，超导物理，纳米材料等，凝聚态物理逐渐成为了一门十分重要的物理学科。

1.3凝聚态物理学的现状——最重要的分支学科之一

凝聚态物理学是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。它是以固体物理学为主干，进一步拓宽研究对象，深化研究层次形成的学科。其研究对象除了晶体、非晶体与准晶体等固体物质外，还包括稠密气体、液体以及介于液体与固体之间的各种凝聚态物质，内容十分广泛。

近年，对于凝聚态物理的研究方向主要有：高温超导及相关强关联体系的基本电子性质、低维自旋和电荷系统、纳米功能材料的基本电子性质研究、自旋电子学材料基本性质等。

以下为近20年来凝聚态物理的研究热点：

1.准晶态的发现（1984年）

2.高温超导体的发现YBaCuO2（钇钡铜氧化物）（1986年）

3.纳米科学（1984年）

4.材料的巨磁阻效应LaSrMnO3（1992年）

5.新的高温超导材料MgB2（2001年）

二、凝聚态物理学的研究

凝聚态物理的研究对象，从最开始的固体物理，拓展到了液体物理，从晶体拓展到了非晶体，更有超导物理，纳米材料等。凝聚态物理的研究获得了巨大的进展。目前，凝聚态物理的研究方向主要有：高温超导及相关强关联体系的基本电子性质、低维自旋和电荷系统、纳米功能材料的基本电子性质研究、自旋电子学材料基本性质等。

2.1半导体物理的研究

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任组长，成员有巴丁和布拉顿等人。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。

2.2超导物理的研究

19世纪，英国著名物理学家法拉第在低温下液化了大部分当时已知的气体。1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯将最后一种难以液化的气体氦气液化，创造了人造低温的新纪录-269 °C(4K)，并且发现了金属在低温下的超导现象。超导具有广阔的应用前景，超导的理论和实验研究在20世纪获得了长足进展，临界转变温度最高纪录不断刷新，超导研究已经成为凝聚态物理学中最热门的领域之一。

早在1911年，荷兰的昂纳斯首次发现了在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、库柏和施里弗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。

2.3纳米材料的研究

地位所谓纳米技术，是指在0.1~100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。

科学家们在研究物质构成的过程中，发现纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。

从迄今为止的研究状况看，关于纳米技术分为三种概念。第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去，从理论上讲终将会达到限度。这是因为，如果把电路的线幅变小，将使构成电路的绝缘膜的为得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。

虽然距离应用阶段还有较长的距离要走，但是由于纳米科技所孕育的极为广阔的应用前景，美国、日本、英国等发达国家都对纳米科技给予高度重视，纷纷制定研究计划，进行相关研究。

三、凝聚态物理学的展望

通过半个多世纪的努力,凝聚态物质的研究已经取得了一系列令人注目的成果,其中既有重要的基础理论成果,如固体的能带理论、点阵动力学理论,磁性理论,超导电性理论,相变与临界现象理论等,又有震动世界的技术性成果,如半导体晶体管与激光器的诞生,新型铁磁性材料的发展等。仅半导体的研究就有11位科学家获得诺贝尔奖,超导体研究有8位科学家获得了诺贝尔奖,预期这一领域还会有人获奖。应该说多数成果还是在结构比较简单的材料中获得的,下一步应朝向物质结构复杂化的方向推进,这已成为科学界的共识。

结束语：凝聚态物理学所研究的对象是的我们人类的生产和生活有着密切的联系，对社会生产力的提高起着巨大的推动作用，每一项技术的发展，首先要有相应的材料作基础，新材料和器件的突破往往导致新的技术和及其产业的诞生。由于新结构、新现象和新机制层出不穷,对人类的智力构成强有力的挑战、跨学科的渗透，可以预见在将来很长的时间内，凝聚态物理学都一直会具有非常强的生命力，凝聚态物理学家们肯定也会大有作为。

参考文献：

【1】 李正中，《固体理论》，高等教育出版社，2002年

【2】 冯端，金国钧，《凝聚态物理学》，高等教育出版社，2003年

【3】 曹茂盛，《纳米材料导论》，哈尔滨工业大学出版社，2001年

【4】 张裕恒，《超导物理》（第三版），中国科学技术大学出版社，2009年

【5】 田强，涂清云，《凝聚态物理学进展》（第二版），科学出版社，2013年

凝聚态物理学发展 篇2

海因里希 · 罗雷尔 ( 又译为罗 勒,Heinrich Rohrer,1933. 06. 06—2013. 05. 16)出生于瑞士德语区圣加伦州 ( Sankt Gallen)温登堡区 ( Werdenberg,又名Wahlkreis)布希镇 ( Buchs) 一个富裕的制成品批发商家庭,他是汉斯 ( Hans Heinrich Rohrer) 和卡萨琳娜 ( Katharina Ganpenbein Rohrer) 夫妇4个孩子中的第3个,其孪生姐姐只比他先出生半个小时。1949年全家迁居苏黎世。1961年他与露丝—玛丽( Rose – Marie Eggar) 小姐结婚, 其蜜月在美国度过,婚后育有两女: 长女多丽丝( Doris Shannon) 和次女爱伦( Ellen Linda) 。2013年5月16日罗雷尔因自然衰竭而逝世于瑞士德语区施维茨州( Schw- yz) 霍夫区( Hfe) 伍尔劳镇寓所( Rebbergstrasse 9D CH - 8832 Wollerau) ,享年80岁。

罗雷尔的主要学习经历: 1955年获瑞士联邦理工学院( 即苏黎世工业大学ETH Zürich) 物理学BS,1960年获该大学实验物理学PhD。其博士论文是关于测量超导体在磁场中长度的变化,此项工作始于以测量杨氏模量的不连续性而著称的丹麦物理学家奥尔森( Jrgen Lykke Ols- en,1923—2006) ,其博士导师是瑞士低温工程专家格拉斯曼( Peter Grassmann,1907—1994) 教授。

罗雷尔的主要工作经历: 大学毕业后曾短期服役于瑞士山地步兵团。1961—1963年在美国新泽西州罗格斯大学( Rutgers University) 进行有关II类超导体和金属的导热性的博士后研究; 1963—1997年任职于瑞士苏黎世州霍尔根区( Horgen district) 鲁希利康( Rüschlikon) 的美国IBM公司苏黎世研究实验室ZRL ( IBM Zurich Research Laborato- ry,常简写为IBM Research – Zurich,成立于1956年) , 1986—1988年任实验室物理学部主任,获诺奖时是该实验室的高级研究员,期间曾于1974—1975年到美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校( UCSB) 做访问学者,进行核磁共振NMR ( nuclear magnetic resonance) 方面的研究。

2凝聚态物理学大师罗雷尔的主要学术成就与贡献

凝聚态物理学家罗雷尔原本喜欢古典文学和自然,只是1951年在瑞士联邦理工学院注册时才决定主修物理学。 1963年年末他来到IBM公司苏黎世研究实验室工作,其第一个任务是研究近藤系统( Kondo system) 在脉冲磁场中的磁阻问题。近藤效应( Kondo effect) 是指含有极少量磁性杂质的晶态金属在低温下出现极小电阻的现象,因1964年首先由日本理论物理学家近藤淳( Jun Kondo, 1930. 02. 06—) 从理论上阐明了该现象的形成机制而得名。20世纪60年代末从事反磁体研究,在物理研究组组长卡尔·穆勒( 1987年诺贝尔物理学奖得主) 博士的支持和鼓励下研究临界现象( critical phenomena) 。为了进行超导研究,1978年开始与同事、联邦德国( 西德) 物理学家和发明家宾尼希( 又译为比尼格,Gerd Karl Bin- nig,1947. 07. 20—) 博士合作构想扫描隧道显微镜,首先利用量子隧道效应原理研究物体表面现象的是美国籍挪威裔物理学家、1973年诺贝尔物理学奖得主贾埃弗( Ivar Giaever,1929. 04. 05—) ,但他未能解决好稳定性问题。 1981年罗雷尔和宾尼希力克这一技术难关: 利用压电陶瓷的压电效应设计显微镜的电镜工作台,通过压电陶瓷的细微调节功能实现试样的精确定位和探针的平面扫描,采用超导磁悬浮的办法达到系统隔震的目的。1982年他们终于创制出世界上第一台新型的物体表面分析仪器———扫描隧道显微镜STM ( scanning tunneling microscope) ,开辟了物质结构研究的全新领域。STM主要是利用一根非常细的钨金属探针,针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流,同时物体表面的高低会影响穿隧电流的大小,依此来观测物体表面的三维形貌且又不损伤样品。1983年他们利用STM在硅单晶表面第一次直接观察到周期性排列的硅原子阵列及其表面电子行为[1]。这种显微镜的放大倍数可高达3亿倍,最小分辨率( 平行方向为0. 04nm, 垂直方向为0. 01nm) 仅为原子直径的1/25 ( 即0. 04) 。 扫描隧道显微镜的诞生是电子显微技术发展史上的一个重要里程碑,在此基础上,科学家们还发明了近场扫描光学显微镜NSOM/SNOM ( near – field scanning optical micro- scope,1984年)[2]、原子力显微镜AFM [atomic force mi- croscope,又称扫描力显微镜SFM ( scanning force micro- scope) ,1986年由宾尼希等3人发明[3 -4]]、磁力显微镜MFM ( magnetic force microscope,1987年) 、静电力显微镜EFM ( electrostatic force microscope) 、摩擦力/横向力显微镜FFM/LFM ( friction/lateral force microscope) 、激光力显微镜LFM ( laser force microscope) 、化学力显微镜CFM ( chemical force microscope) 、光子扫描隧道显微镜PSTM ( photon STE) 、扫描热电势显微镜SThM ( scanning thermal microscope) 、弹道电子发射显微镜BEEM ( ballistic elec- tron emission microscope) 、扫描离子电导显微镜技术SICM ( scanning ion conductance microscope) 和扫描隧道电位仪STP ( scanning tunneling potentionmetry) 等近30种不同用途的相关科学仪器[5]。上述发明为科学家们探索纳米世界提供了一系列强有力的现代化工具,促进了国际上纳米科技时代的到来。1986年与宾尼希合作发表论文 《扫描隧道显微镜》[6],翌年两人又合著专著 《扫描隧道显微镜》 ( 德文Das Raster – Tunnelmikroskop,英文The Scan- ning Tunneling Microscope) 。

此外,罗雷尔还涉猎过磁相图( magnetic phase dia- grams) 、纳米力学( nanomechanics) 、相变( phase transi- tions) 、多临界现象( multicritical phenomena) 、随机领域问题( random – field problem) 和超导性( superconductiv- ity) 等物理学前沿研究领域。

扫描隧道显微镜( STM) 的发明在科学技术发明史上占有很重要的地位,从以下STM所获得的荣誉中就可窥见一斑并凸显其历史意义和价值。

2007年12月19日爱思唯尔( Elsevier,其总部设在荷兰首都阿姆斯特丹) 旗下的 《今日材料》 ( Materials Today) 杂志( 月刊,创刊于1998年) 评选出全世界50年以来材料科学领域的十大科技进展: ① 《国际半导体技术蓝图( ITRS) 》 ( The International Technology Roadmap for Semiconductors) : 1994年起已更名为美国 《国家半导体技术蓝图( NTRS) 》( The National Technology Roadmap for Semiconductors) ; ②扫描探针显微镜SPMs ( scanning probe microscopes) : 包括STM、AFM、MFM和EFM等各种探针式扫描显微镜; ③巨磁电阻效应GMR ( giant magnetore- sistive effect ) , 法国物理学家费尔( Albert Fert, 1938. 03. 07—) 和德国物理学家克鲁伯格( Peter Andreas Grünberg,1939. 05. 18—) 因于1988年先后独立发现巨磁电阻效应而分享2007年诺贝尔物理学奖,并共享 “硬盘技术之父” 的雅称; ④ 半导体激光器和发光二极管( semiconductor lasers and LEDs) ; ⑤美国 《国家纳米技术计划》 ( National nanotechnology initiative) ; ⑥碳纤维强化塑料( carbon fiber reinforced plastics) ; ⑦锂离子电池材料( materials for Li ion batteries) ; ⑧纳米碳管CNT ( carbon nanotubes) ; ⑨ 软光刻( soft lithography ) ; ⑩ 超材料( metamaterials) 。

为纪念美国国际商业机器公司IBM ( International Bus- iness Machines,成立于1911年6月16日) 创建100周年,美国著名IT网站eWeek于2011年评选出IBM公司百年来十大高科技创新发明( 均被授予美国专利) : ①打孔机: 专利号是US998631A,公开日: 1911. 07. 25,IBM公司历史上的第一个专利; ②场效应晶体管存储器( 即动态随机存储器DRAM,日后成为计算机内存的标准) : 专利号是US3387286A,公开日: 1968. 06. 04; ③扫描隧道显微镜( STM ) : 专利号是US4343993A, 公开日: 1982. 08. 10; ④微机系统外围设备总线控制技术( 即IBM PC /AT) : 专利号是US4528626A,公开日: 1985. 07. 09; ⑤远紫外线外科和牙科手术( 日后成为激光眼科手术的基础) : 专利号是US4784135A,公开日: 1988. 11. 15; ⑥电子目录订购系统( 该发明使公共和私人电子网上购物图录服务成为可能) : 专利号是US5319542A,公开日: 1994. 06. 07; ⑦碳纳米管( 专利名: 碳纤维及其产品的生产方法) : 专利号是US5424054A,公开日: 1995. 06. 13; ⑧管理数据挖掘维护( 专利名: 空间分析系统: 有效地安排和调度基础设施的维护和监控) 专利号是: US6496814B1,公开日: 2002. 12. 17; ⑨车辆电子设备安全技术: 专利号是US7006793B2,公开日: 2006. 02. 28; ⑩硬盘录像机管理( 专利名: 通过网络管理数字视频记录) : 专利号是US7684673B2,公开日: 2010. 03. 23。

3凝聚态物理学、介观物理学与纳米科技

固体可分为晶体、准晶体( 准晶体的发现是2011年诺贝尔化学奖的获奖成果) 和非晶体三大类。组成晶体的粒子,在三维空间的排列形成晶格,具有周期性及与周期性相容的空间取向有序性。1855年法国物理学家布拉维( Auguste Bravais,1811. 08. 23—1863. 03. 30) 最终确定晶格的型式有且只有14种( 即布拉维点阵) ,并将其归纳为7类晶系。他首次将数学中群的概念应用于物理学,为固体物理学作出奠基性贡献。后来人们已确定晶体的对称性可由32个点群和230个空间群来描述。1912年德国物理学家冯 · 劳厄( Max Theodor Felix von Laue, 1879. 10. 09—1960. 04. 23,1914年度诺贝尔物理学奖得主) 发现X射线在晶体原子点阵中的衍射( 劳厄图) ,开创了固体物理学的新时代,自此人们就可以通过X射线的衍射条纹来研究晶体的微观结构。

“凝聚态”是物质的一种聚集态,构成凝聚态物质的粒子相互之间存在着较强的作用,所表现的一个共同的宏观特征就是其难以被压缩。粒子间较强的相互作用,使凝聚态物质的性质相对于粒子间距较大的气态,具有一系列显著的特征。凝聚态物质包括常见相中的固态和液态( 气态不属于凝聚态) 、软物质( softmatter,又称软凝聚态物质或复杂液体) ; 高温下的等离子态; 低温下的玻色─爱因斯坦凝聚态BEC ( 2001年诺贝尔物理学奖获奖成果) 、费米子凝聚态、拉廷格液体( Luttinger liquid,又称Tomonaga – Luttinger liquid) 、超流态( superfluid) 、超导态( superconductor) 和超固态( supersolid) 以及磁介质中的铁磁性、反铁磁性( antiferromagnetism) 和铁电体( ferroelectrics) 等。凝聚态物理学是研究凝聚态物质的物理性质与微观结构以及它们之间的关系,即通过研究构成凝聚态物质的电子、离子、原子及分子的运动形态和规律,从而认识其物理性质的学科,其理论基础是量子力学。凝聚态物理学是以固体物理学为基础的外向延拓,低温物理学的发展拓宽了其研究领域。它涉及的研究内容十分广泛,应用性极强,已成为物理学科发展的重点。固体物理学的一个重要理论基石是能带理论,它建立在单电子近似的基础上,而凝聚态物理学的概念体系则渊源于相变与临界现象理论,根植于相互作用多粒子理论,因而具有更加宽阔的视野。20世纪90年代以后,“凝聚态物理学” 已逐渐取代 “固体物理学”而成为其同义词。

介观是指介于宏观和微观之间的意思。纳米( 1nm = 10- 9m = 10) 是一个介观尺度的度量单位,它介于微观尺度( 原子大小,0. 1nm级) 和宏观尺度( 光学显微镜的分辨极限尺度是光波长的量级,即0. 2 ~ 3μm) 之间。 介观物理学是一门研究介观体系中表面和界面问题的学科。在1990年3月美国物理学会凝聚态年会上,首次将介观物理学单独列为分组议题。20世纪90年代以来,对介观系统的研究已逐步成为凝聚态物理学的一个崭新研究领域[7]。

1959年12月29日美国理论物理学家和教育家理查德· 费曼( Richard Phillips Feynman, 1918. 05. 11— 1988. 02. 15,1965年诺贝尔物理学奖得主) 在加利福尼亚理工学院( Caltech) 出席美国物理学会年会时,发表了题为 《微观世界仍有很大发展空间》 ( There's Plenty of Room at the Bottom) 的演讲,明确提出以操纵单个原子、 原子团或分子为手段的纳米技术这一基本概念。1962年日本东京大学数学物理学家久保亮五( Kubo Ryōgo, 1920. 02. 15—1995. 03. 31) 教授首创量子限制理论用来解释金属纳米粒子的能阶不连续性,这是纳米科技的重要里程碑。1974年东京理工大学谷口纪男( Norio Taniguchi, 1912. 05. 27—1999. 11. 15) 教授首创 “纳米技术” ( nano- technology) 一词用以表示公差小于1μm的精密机械加工, 有时亦称其为纳米科技( nanoscience and nanotechnology) 。 现一般将发明STM的1982年( 1981年是STM的技术难题突破年) 视为纳米元年。1990年7月首届国际纳米科技会议和第5届国际扫描隧道显微镜学会议同时在美国巴尔的摩举行,大会将纳米电子学( 包括自旋电子学) 、纳米机械学、纳米生物学和纳米材料学列入纳米科技的四大前沿研究领域,并决定出版 《纳米结构材料》( Nanostruc- tured Materials) 、《纳米生物学》 ( Journal of Nanobiotechn- ology) 和 《纳米科技》 ( Journal of Nanoscience and Nano- technology) 三种国际性期刊。1991年日本筑波科学城NEC公司物理学家饭岛澄男( Iijima Sumio, 1939. 05. 02—) 利用TEM在观察碳的团簇时偶然发现了纳米碳管,成为当时纳米科技研究的热点。

4电子显微镜发明简史

电子显微镜的研制历史可追溯到19世纪末,1897年德国物理学家布劳恩( Karl Ferdinand Braun, 1850. 06. 06—1918. 04. 20,1909年诺贝尔物理学奖得主) 利用荧光物质改善了克鲁克斯管,发明了一种可用荧光屏观测电场控制的狭窄电子束的阴极射线管──布劳恩管, 它是电子示波器和电视显像管的前身,这样的电子束管和高真空技术为电子显微镜的诞生准备了技术条件。1924年法国理论物理学家德布罗意( Prince Louis – Victor Pi- erre Raymond = 7th duc de Broglie, 1892. 08. 15— 1987. 03. 19,1929年诺贝尔物理学奖得主) 在其博士论文中将爱因斯坦关于光子波粒二象性的概念加以推广,系统地提出包括电子在内的一切微观粒子都具有波粒二象性的著名论点。1926年德国物理学家布希( Hans Walter Hu- go Busch,1884. 02. 27—1973. 02. 16) 研制成功世界上第一个磁力电子透镜并发表关于磁聚焦的论文,提出电子束通过轴对称电磁场时可以聚焦( 如同光线通过透镜时可以聚焦一样) ,首创几何电子光学理论和电子透镜理论, 为电子显微镜的诞生奠定了理论基础[8]。德国物理学家鲁斯卡( Ernst August Friedrich Ruska,1906. 12. 25— 1988. 05. 27,被誉为 “电子显微镜之父”) 于1928年11月在柏林工业大学TUB ( 德文Technische Universitt Ber- lin,英文Technical University of Berlin,又译为柏林理工大学、柏林科技大学或柏林技术大学,1879年由3个学院合并而成) 上大学期间就参加了由该大学高压实验室主任马提亚斯( Adolf Matthias,1882. 07. 29—1961. 09. 03) 教授领导的阴极射线示波器科研组的工作,1929年开始在电子研究小组组长、德国电气工程师科诺尔( Max Hans Hermann Knoll,1897. 07. 17—1969. 11. 06) 博士指导下从事电子透镜的实验研究,1931年3月9日他们合作创制出利用高真空下的电子束代替光束成像、二级磁透镜放大的透射电子显微镜原型,这是一台经过改进的阴极射线示波器,最初的放大率仅为16倍,这是世界公认的电子显微镜的雏形。鲁斯卡与德国物理学家冯·波里斯[Bodo von Borries,1905. 05. 22—1956. 07. 17, 鲁斯卡的妹夫, 1954—1956年任国际电子显微镜学会联合会IFSEM ( 2002年起更名为IFSM) 首任会长,1956—1958年鲁斯卡接任第2任会长] 合作,采用磁极靴代替长螺线管线圈,进一步研制出全金属镜体的电子显微镜并于1932年3月17日将这种磁透镜申请了德国专利( 编号: DE680284C,公开日: 1939年8月25日) 。经不断改进和完善,在解决一系列技术难题( 如稳定度极高的高压电源、电磁透镜电流的恒定和整个系统的高真空等) 以后, 鲁斯卡终于在1933年12月独自研制出比较成熟的透射电子显微镜TEM ( transmission electron microscope) ,获得了金属铝箔和棉丝纤维的1. 2万倍的放大像,其分辨率首次突破了光学显微镜[1628年德国神父和天文学家席耐尔( Christoph Scheiner,1573/1575. 07. 25—1650. 07. 18) 利用两块凸透镜( 物镜和目镜) 制成复式显微镜,这是现代光学显微镜的原型。1874年德国光学家和企业家阿贝( Ernst Karl Abbe,1840. 01. 23—1905. 01. 14) 利用衍射理论证明普通光学显微镜存在分辨率极限( 即阿贝极限, 0. 2μm) ,奠定了光学显微镜成像的经典理论基础,1878年英国物理学家瑞利( 1904年诺贝尔物理学奖得主) 给出光学显微镜分辨率的极限公式] 的极限,开创了物质微观结构研究的新纪元,TEM的发明被誉为 “20世纪最重要的发明之一”[9]。1932年科诺尔和鲁斯卡合作在德国著名的 《物理学年鉴》杂志发表论文 《几何电子光学的进展》[10],首次引入电子显微镜的概念和首次使用电子显微镜的名称,故1932年常被视为是电子显微镜的诞生年。 1933年鲁斯卡以论文 《电子显微镜的磁物镜》[11]( 其研究主题是电子光学和电子显微镜学,博士导师: 科诺尔) 获柏林工业大学工学PhD。应西门子—哈尔斯克公司S & H [von Siemens & Halske,1966年西门子股份公司( Sie- mens AG) 正式成立] 的邀请,1937年春鲁斯卡和冯·波里斯帮助其建立电子光学和电子显微镜学实验室,1937— 1940年他俩共同担任该实验室主任工程师和责任指导人, 1940年将它建成为第一个电子显微镜开放实验室( 当时装备了4台电子显微镜) 。1939年S & H公司研制成功分辨率达30 的世界上最早的商用电子显微镜( 当时称超显微镜) 并投入批量生产,鲁斯卡及其胞弟、医生和生物学家赫尔穆特( Helmut Ruska, 1908. 06. 07— 1973. 08. 30) 等人利用这种电子显微镜在生物学研究方面( 如噬菌体病毒) 获得很大成功[12 -13]。

1936年德国物理学家和发明家欧文·穆勒( 又译为米勒,Erwin Wilhelm Müller,1911. 06. 13—1977. 05. 17) 创制出场发射显微镜FEM ( field emission microscope) ,后发展为场发射电子显微镜FEEM ( field emission electron microscope) 和场发射扫描电子显微镜FESEM ( field emis- sion SEM) 。1952年以后他一直供职于美国宾夕法尼亚大学( 简称宾州大学) ,1955年他发明了场离子显微镜FIM ( field ion microscope) ,1967年他与合作者又发明了原子探针场离子显微镜APFIM ( atom probe FIM) 。

1937年( 1938年正式发表相关论文) 德国柏林西门子—哈尔斯克公司的应用物理学家和发明家冯·阿登纳男爵( Baron Manfred von Ardenne,1907. 01. 20—1997. 05. 26) 在TEM基础上增加扫描线圈,创制出扫描透射电子显微镜STEM ( scanning TEM) ,这是世界上第一台扫描电子显微镜SEM ( scanning electron microscope,简称扫描电镜) ,它主要是利用样品表面产生的二次电子成像来对物质的表面结构进行研究,是探索微观世界的有力工具。出生于帝俄的美国无线电公司RCA ( Radio Corporation of America) 实验室发明家、现代电视技术的先驱兹沃里金( Vladimir Ko- smich Zworykin,1889. 07. 29—1982. 07. 29,1924年加入美国籍) 于1942年制成世界上第一台实验室用SEM ( 分辨率1μm) ,1965年英国剑桥仪器公司生产出世界上第一台商品化SEM,1985年德国蔡司公司( Carl Zeiss AG) 研制出世界上第一台数字化SEM,1990年起全面进入数字图像扫描电镜时代。

SEM ( 1937年) 、FIM ( 1955年) 和STM ( 1982年) 是已达到原子分辨水平的三种重要科学仪器,前两者主要应用于材料科学领域,而STM则直接导致纳米科技这一应用科学的兴起。1955年10月11日美国宾州大学物理学教授欧文·穆勒及其博士生巴哈杜尔( Kanwar Bahadur) 首次通过FIM观察到单个钨原子的成像[14 -15],这是人类有史以来首次得以清晰地观察到单个原子的分布图像。出生于英国的美国芝加哥大学物理学家克鲁( Albert Victor Crewe,1927. 02. 18—2009. 11. 18) 等人于1970年利用现代化的SEM实现了原子级的分辨率[16]。STM是第三种能够观察到单个原子的技术,甚至于可实现单原子操控[17 -18]。现在科学家们利用STM观测到的扫描隧道谱STS ( scanning tunneling spectroscopy) 已能进行单分子物理学研究。

5瑞士籍诺贝尔物理学奖得主

迄今瑞士籍的诺贝尔物理学奖得主共有3. 5位( 爱因斯坦获奖时拥有德国和瑞士双重国籍,按0. 5位计算)[19]: ①1920年获奖的冶金学家、实验物理学家和计量学家纪尧姆( Charles douard Guillaume,1861. 02. 15— 1938. 06. 13) : 表彰 “他发现镍钢合金的反常特性及其在物理学精密测量中应用的重要贡献” ( in recognition of the service he has rendered to precision measurements in Physics by his discovery of anomalies in nickel steel alloys) ,他于1902—1915年任国际计量局BIPM ( 法文Bureau Interna- tional des Poids et Mesures, 英文International Bureau of Weights and Measures,1875年5月20日成立,其总部设在巴黎西南近郊的塞夫勒Sèvres) 副局长,1915—1936年任BIPM局长。②1921年度获奖的理论物理学家爱因斯坦[20 -22]。③1986年获奖的实验物理学家罗雷尔: 1986年10月15日瑞典皇家科学院决定授予马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所的联邦德国物理学家鲁斯卡、联邦德国物理学家宾尼希和瑞士物理学家罗雷尔当年诺贝尔物理学奖,当年每项诺奖奖金总额是200万瑞典克朗,鲁斯卡获得其中的50%,以表彰 “他在电子光学的基础性研究并设计出第一台电子显微镜” ( for his fundamental work in electron optics,and for the design of the first electron micro- scope) ; 宾尼希和罗雷尔各获得奖金总额的25% ,以表彰 “他们设计出第一台扫描隧道显微镜” ( for their design of the scanning tunneling microscope)[23 -24]。1986年12月8日鲁斯卡在斯德哥尔摩发表了题为 《电子显微镜和电子显微镜学的发展》 ( The Development of the Electron Microscope and of Electron Microscopy) 的诺贝尔演讲,同日宾尼希和罗雷尔也联名发表了题为 《扫描隧道显微镜学: 从诞生到成熟》的诺贝尔演讲[25]。④1987年获奖的超导物理学家卡尔 · 穆勒( 又译为米勒,Karl Alexander Müller, 1927. 04. 20—) : 因高温超导体方面的重要贡献与联邦德国物理学家柏诺兹( Johannes Georg Bednorz, 1950. 05. 16—) 分享当年诺贝尔物理学奖,表彰 “他们在发现陶瓷材料的超导性方面作出重大突破” ( for their im- portant breakthrough in the discovery of superconductivity in ceramic materials) ,获奖时他俩都是IBM公司苏黎世研究实验室的高级研究员。

1952年诺贝尔物理学奖得主布洛赫( Felix Bloch,1905. 10. 23苏黎世—1983. 09. 10苏黎世) 是出生于瑞士的美国籍犹太物理学家,他1934年移居美国,1939年加入美国籍( 未保留瑞士籍) 。

各项诺贝尔奖得主现基本上在每年10月的上旬和中旬揭晓,公布顺序现依次是: 生理学或医学奖、物理学奖、化学奖( 2000年及以前与物理学奖同日公布) 、文学奖、和平奖和经济学奖。鲁斯卡、宾尼希和罗雷尔是诺贝尔物理学奖历史上的第127 ~ 129位得主,诺贝尔奖历史上的第545 ~547位得主。罗雷尔是诺贝尔物理学奖历史上的第117位逝者,诺贝尔奖历史上的第547位逝者。

根据笔者的统计( 双重国籍者各按0. 5人计算) ,在113届( 1901—2013 ) 诺贝尔奖的颁奖历史上,现共有195人196人次荣获诺贝尔物理学奖( 其中美国理论物理学家巴丁于1956年和1972年两次荣获物理学奖) ,瑞士籍得奖人数位于美国( 86. 5 ) 、英国( 23 ) 、德国( 22. 5) 、法国( 13) 、俄罗斯( 10,含前苏联) 、荷兰( 8. 5) 、日本( 6) 和瑞典( 4) 之后,名列第九位。这9个国家的合计人数177占总人数195的90. 77%,由此可见诺贝尔物理学奖得主的国籍是高度集中的,其国籍分布数量只有19个,仅多于1969年才设立的纪念阿尔弗雷德·诺贝尔经济学奖的12个[26 -30]。

荷兰物理学家塞尔尼克( Frederik " Frits" Zernike, 1888. 07. 16—1966. 03. 10) “因首倡相衬法,特别是他发明了相衬显微镜” ( for his demonstration of the phase con- trast method,especially for his invention of the phase contrast microscope) 而荣获1953年诺贝尔物理学奖。1932年塞尔尼克试制成功第一台相衬显微镜( 又称相差显微镜) 并于同年11月26日以蔡司公司的名义申请了德国专利( 编号: DE636168C,公开日: 1936年10月7日) ,1941年蔡司公司首先生产出相衬物镜及其附件。

6罗雷尔博士与中国

罗雷尔博士是继爱因斯坦之后,第三个荣获诺贝尔物理学奖的瑞士籍人士,时间间隔达65年之久。北京大学校长蔡元培于1920—1922年曾三次力邀爱因斯坦访华, 但他终未成行。1997年罗雷尔从IBM公司苏黎世研究实验室退休后,经常到世界各地远游并讲学,其足迹踏遍中华大地的大江南北,弥补了其前辈爱因斯坦未能正式访华的遗愿。根据笔者收集和查询到的有关资料信息,罗雷尔退休后公开报道的访华( 包括中国台湾) 经历大致有: ①1998年5月7 ~ 13日访问台湾,11日在台北 “中央研究院物理研究所”做了题为 《超越纳米电子学的纳米工程学》 ( Nanoengineering beyond Nanoelectronics) 的学术报告( 载1998年5月1日 《中央研究院周报》第667期) 。 ②2000年10月24日上午8时在北京友谊宾馆发表亚太表面/界面分析国际会议的特别演讲 《小之魔力: 纳米尺度上的科学与技术》 ( The Magic of Small: Science and Tech- nology on the Nonometer scale) 。③2002年10月10日被聘为上海复旦大学名誉教授和先进材料与技术研究院高级顾问,同年11月访问北京中国科学院物理研究所。④2003年1月28日访问台北中央研究院,上午拜访1986年诺贝尔化学奖得主、中央研究院院长( 任期: 1994—2006) 李远哲教授,下午在物理研究所发表题为 《扫描隧道显微镜和纳米技术》( STM and Nanotechnology) 的专题演讲( 载2003年1月23日 《中央研究院周报》第905期) 。⑤ 为庆祝国家自然科学基金委员会成立20周年,罗雷尔参加了2006年5月25 ~26日在北京举办的 “21世纪科学前沿与中国的机遇”高层论坛,27日下午他在北京清华大学理学院报告厅发表题为 《小之魔法和力量》( The Magic and Power of Small) 的公众演讲。⑥2007年3月8 ~ 11日访问哈尔滨工业大学,10日上午9时在哈工大国际会议中心201报告厅发表题为 《小之魔法和力量》的公众演讲。作为清华论坛第8讲嘉宾,12日他又在北京清华大学主楼接待厅发表题为 《科学———为了人类的福祉》 ( Science,for the Benefit of Mankind) 的公众演讲。⑦2008年1月14日访问兰州大学并发表题为 《纳米技术———可持续世界发展的关键》 ( Nanotechnology,the Key to a Sus- tainable World) 的学术报告。16 ~ 18日再度访问哈尔滨工业大学,17日上午在哈工大逸夫楼[即邵馆,由香港影视制作人、娱乐业大亨和慈善家邵逸夫( 原名仁楞,Sir Run Run Shaw,CBE,1907. 11. 19—2014. 01. 07 ) 先生捐资兴建] 二楼报告厅进行学术报告。⑧为庆祝相对论诞生100年,“阿尔伯特·爱因斯坦( 1879—1955) ”首展于2005年6月1日至10月6日在瑞士首都伯尔尼获得圆满成功,2010年5月30日此展览首次登陆中国北京。 2010年6月26日14时,由瑞士联邦政府科技文化中心组织的高端科学系列活动 “诺贝尔奖得主讲座”在京正式拉开帷幕,由罗雷尔主讲的首场讲座在中国科技馆( CSTM) 大报告厅开讲,他演讲的题目是 《从爱因斯坦到纳米技术》 ( From Einstein to Nanotechnology) ,这是中国科技馆开展的 “科学讲坛”系列讲座之一,也是 “爱因斯坦展”中国巡展中 “对话科学家”的系列讲座之一。 ⑨2010年8月20日自瑞士伍尔劳镇寓所向在北京国际会议中心召开的第18届国际真空大会( IVC -18,会期: 8月23 ~27日) 发来题为 《科学、魔力和激情》 ( Science, Fascination and Passion) 的致辞。瑏瑠2011年4月26日15时在笔者的母校内蒙古科技大学IMUST ( 其前身是包头钢铁学院,2003年11月起更为现名) 学校会堂发表题为 《从爱因斯坦到纳米技术》的公众演讲[31]。当时与罗雷尔博士一起访问IMUST的是时任清华大学理学院院长薛其坤院士( 1963. 12. 19—,2005年11月当选为中科院院士, 2013年5月起任清华大学副校长) 。由薛其坤院士领衔, 清华大学和中科院物理研究所联合团队历时4年,在磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜中,从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一实验发现证实了此前中科院物理研究所和斯坦福大学理论团队的预言,被认为是世界基础研究领域的一项重要科学发现( 杨振宁称该成果具有诺贝尔奖级) ,此成果于北京时间2013年3月15日凌晨在美国 《科学》杂志在线发表。霍尔效应发现于1879年,反常霍尔效应则由美国物理学家霍尔( Edwin Herbert Hall, 1855. 11. 07—1938. 11. 20) 于1880年首先发现。4月28日18 ∶ 30分罗雷尔博士在杭州浙江大学又对话浙大学子,并在玉泉校区永谦小剧场发表同一题目的公众演讲[32]。同年5月24日他还参加了 “2011蓬莱—未来之星”国际研讨会( 会期: 5月21 ~24日) 。瑏瑡2012年3月15日16时做客武汉华中科技大学物理学院第19期博学讲堂,在1号楼学术报告厅发表题为 《纳米技术———可持续发展的关键》 ( Nanotechnology,a Key to Sustainability) 的学术演讲并受聘担任该校名誉教授。次日14 ∶ 30分他又做客武汉大学化学与分子科学学院第40期珞珈讲坛, 在创隆厅发表题为 《从爱因斯坦到纳米技术》的讲座。 这次是罗雷尔第二次来到武汉,1998年4月24日他曾到过著名景点黄鹤楼旅游。

退休前罗雷尔至少还有两次访华的经历: ①1993年8月12日罗雷尔和宾尼希在北京人民大会堂受到国家主席江泽民的接见,他们是来北京参加由中国科学院主办的扫描隧道显微镜学( STM) 第7届国际会议的( 会期: 8月9 ~ 13日,首届STM国际会议于1986年在西班牙圣地亚哥—德孔波斯特拉市举行) ,这是首次由发展中国家承办的STM国际会议[33]。②1995年10月17日 《人民日报》 报道: 美国IBM公司日前向中国科学院化学研究所赠送一台超高真空扫描隧道显微镜,STM发明者之一罗雷尔博士专程到北京参加赠送仪式。据悉,这台扫描隧道显微镜将用于金属和半导体表面结构和纳米科学方面的研究[34]。

7罗雷尔博士所获主要荣衔

1976年和1984年罗雷尔两获IBM杰出贡献奖( IBM Outstanding Contribution Awards) ; 1984年宾尼希和罗雷尔同获欧洲物理学会EPS ( European Physical Society) 颁发的惠普HP ( Hewlett – Packard) 欧洲物理学奖( 现称EPS Europhysics Prize,1976年首次颁奖,欧洲凝聚态物理学界声望最高的奖项) ,同年他俩还同获沙特阿拉伯首届费萨尔国王国际科学奖( King Faisal International Prize for Sci- ence) ; 1985年获IBM企业奖( IBM Corporate Award ) ; 1987年和宾尼希同获美国富兰克林研究所颁发的克勒松金质奖章( Elliott Cresson Gold Medal,1875—1997年颁奖) 。

1986年罗雷尔获得IBM名士( IBM Fellow, 始于1963年,截至2013年年底共有246人获此荣誉) 荣誉头衔( 宾尼希于翌年获得此头衔) ,它是IBM公司的最高技术荣衔; 1988年当选为美国科学院外籍院士; 1990年当选为瑞士物理学会名誉会员; 1991年当选为欧洲科学院物理和工程学部院士和瑞士工程师和建筑师协会( Swiss Society of Engineers and Architects,德语缩写为SIA) 会员; 1993—2003年任瑞士联邦理工学院董事会成员; 1994年和宾尼希同被载入美国国家发明家名人堂NIHF [National Inventors Hall of Fame,1973年由美国专利商标局USPTO/PTO ( United States Patent and Trademark Office) 和知识产权法协会全国理事会( National Council of Intel- lectual Property Law Associations) 创设,其博物馆位于俄亥俄州的阿克伦( Akron) ,可授予已故发明家,迄今获此荣誉者共计487人[35]]; 1996年当选为韩国科学技术研究院( KAST) 名誉院士; 1997—2001年任西班牙国家研究委员会( Spanish National Research Council,1939年11月24日成立于马德里,西班牙语缩写为CSIC) 高级顾问; 1997年起任日本理化学研究所( RIKEN) 研究顾问; 1998年当选为瑞士技术科学院( SATS) 院士; 2007— 2013年任日本国立材料纳米构架国际中心MANA ( Inter- national Center for Materials Nanoarchitectonics,2007年10月成立于筑波) 高级顾问; 2008年当选为台北 “中央研究院”名誉院士。

罗雷尔所获得的主要荣誉博士称号依次有: ①1986年,美国罗格斯大学,DSc; ②1988年,法国马赛大学[Marseille University,2012年马赛第一大学( 即普罗斯旺大学,以人文科学为主) 、第二大学( 即地中海大学,以理工科学和医学为主) 和第三大学( 即保罗·塞尚大学, 以经济管理和法学为主) 合并为艾克斯—马赛大学( Aix – Marseille University) ]; ③1988年,西班牙马德里自治大学( Autonomous University of Madrid) ; ④1994年,日本筑波大学( University of Tsukuba) ; ⑤1995年,德国法兰克福歌德大学( 又称法兰克福大学,The Johann Wolfgang Goethe University,Frankfurt) ; ⑥2000年,日本仙台东北大学( Tohoku University) 。

2011年5月17日IBM公司在苏黎世鲁希利康创办了宾尼希和罗雷尔纳米技术中心( Binnig and Rohrer Nano- technology Center) 。2013年11月26日,日本表面科学学会SSSJ ( Surface Science Society of Japan) 联合IBM公司苏黎世研究实验室发起设立海因里希·罗雷尔奖章( Hein- rich Rohrer Medal) ,分为大奖章( Grand Medal) 和新星奖章( Rising Medal) 两类,面向全球,每3年颁奖一次。 大奖章授予基于表面科学在纳米科学和纳米技术领域取得杰出成就的研究者,每次一般授予1人,奖金总额为100万日元( 约合1万美元) ,若多人获奖则奖金平分。新星奖章则授予在纳米科技领域取得突出成绩且年龄不超过37岁( 以颁奖年份的1月1日计算) 的研究者,每次授予不同研究主题的3人,每人奖金15万日元( 约合0. 15万美元) 。首届罗雷尔奖章获奖者名单将于2014年7月公布,颁奖仪式将于同年11月2 ~6日在日本岛根县会议中心举办的第7届表面科学国际研讨会ISSS -7 ( The 7th In- ternational Symposium on Surface Science) 期间举行。顺便指出,罗雷尔博士生前曾访问日本多达60余次[36]。

8结束语

实验物理学家罗雷尔和宾尼希因合作共同发明了扫描隧道显微镜( STM) ,为纳米科技的研究奠定了物质基础, 故一起被赞誉为世界 “扫描隧道显微镜之父” ( the father of STM) 和 “纳米技术之父” ( the father of nanotechnolo- gy) 。

谨以此文纪念中国人民的老朋友、凝聚态物理学大师海因里希·罗雷尔博士逝世1周年。

摘要：瑞士物理学家和发明家海因里希·罗雷尔与德国物理学家和发明家格尔德·宾尼希合作发明扫描隧道显微镜(STM),STM的发明被国际科技界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一,它开启了纳米科技的新纪元,催生了介观物理学。罗雷尔博士对中国人民十分友好,1997年退休后曾多次访华(包括2011年对内蒙古科技大学的访问)并进行多场学术演讲和交流,为发展中瑞两国人民之间的传统友谊和推动两国科学家之间的学术交流作出积极贡献。

从固体物理到凝聚态物理研究 篇3

【关键词】固体物理 晶体 凝聚态物理

【中图分类号】G633.7【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0163-02

固体在人们的日常生活中随处可见，它与人们的生活密不可分，在几千年前，人们就利用石头、青铜等固体来打造器具，经过几千年的文化进步，从固体物理进而发展出凝聚态物理，下面就固体物理和凝聚态物理作出浅析。

1.固体物理的重要作用

固体包括晶体和非晶态固体，是由大量原子、离子或分子凝聚而成的，固体的特征很明显，具有刚性、能承受切应力，而且是自持形状，相对稳定而紧密的。人类通过对科学的研究与实践，发现物理的规律。晶体的排列方式具有规律性，却又千变万化，晶体可以归纳为单斜、三斜、三角、四角、六角、立方、正交七大晶系[1]。晶体由晶格点阵系统和自由电子系统两个子系统组成。其中晶格点阵系统中的原子振动声波具有一定的波长，在量子论中晶格波的运动可以用声子来代表，而声子的频率也就是晶格波的运动频率就是波长的倒数。

固体物理学包括物体的结构、晶体结构中原子的运动、晶格振动、半导体物理、超导电性等。固体物理学将微观与宏观联系到一起，对微观结构和粒子间的相互作用作出研究，对量子力学也作出研究，通过几千年的研究，形成现代的物理学科。固体物理学通过漫长的时间来进步，从材料科学到半导体的研究，从纳米科技到半导体超晶体概念，固体物理学的发展非常巨大。纳米技术被广泛用于人们的生活中，特别是在现代21世纪的科学中，纳米技术发挥着相当重要的作用[2]。掌握了纳米技术能使国家发展更迅速。人们通过对超导体的研究，研究出高温超导体的作用及用途，比如超导磁悬浮列车、超导电子计算机等。现代社会的技术不断发展，物理学在生活中的意义越来越重大。

2.压力、磁场以及晶体的结构对物理性质的影响

压力对物理性质的影响首先是表现在对施加压力的晶体体积变小，因为晶体是有大量原子组成的，原子之间存在一定的间距，那么对晶体加压，晶体体积变小，实际上是组成晶体的原子之间的间距变小了，如果施加的压力越大，间距会变得越小，甚至使晶體的形态发生细微的改变，压力能够改变物理性质，磁场也能够改变组成晶体的原子之间的磁矩，改变磁矩之间的相互作用，使晶体的物理性质发生改变。晶体的结构对物理性质的影响更大，晶体虽然很多都是由原子组成的，但是不同的物体就具有不同的物理性质，比如有的物体易碎，有的物体导电，有的物体为立方结构，有的则为三角结构，不同的物体具有不同的物理性质[3]。晶体的结构在发生改变后，会使物体的物理性质发生改变，是有些导体物体变为绝缘体，有些顺磁物体变为磁铁物体，晶体的结构发生改变决定着物体的物理性质的改变。因此，压力、磁场以及晶体的结构对物理性质的影响起着决定性的作用。

3.凝聚态物理的发展及研究

凝聚态实际上就是指固态和液态，比如液晶、凝胶等物体既不是单纯的固态，也不是单纯的液态，它们的形态介于固态和液态之间，有些物体的一定的温度下也会发生物理性质的改变，成为一种特殊的量子态，对于物体的这些状态就形成了物体的凝聚态。凝聚态物理在固体物理的基础上进一步的发展，主要是研究物体的凝聚态科学。人们通过固体和液体、微观结构和微观粒子的性质和规律，创造了物体凝聚态科学。凝聚态物理的研究包括对晶体、非晶体、准晶体以及对液体、液态和固态之间凝聚像的研究，是对多个粒子在一定条件下形成凝聚态物质的研究。在50多年以前，人们就通过不同的材料对凝聚态物理进行了不同的研究，凝聚态物理也取得新的发展，而且所研究的对象及内容也愈来愈复杂，这是物理学的巨大挑战[4]。在极低的温度下，金属或合金的电阻也会下降，超导也会随温度降低而出现不同的现象。凝聚态物理在低温条件下的研究曾经在全世界都取得了非常大的进展，许多的物理现象都将通过凝聚态物理研究而被发现，凝聚态物理的重要性在整个世界来说都是非常大的，它是高科技发展的基础。

物质在形态上可以分为气态、固态、液态三大类，而凝聚态物理主要研究固态和液态，在物理研究中占了重要地位，从固体物理到凝聚态物理的发展是物理科学的进步，凝聚态物理仍在继续发展和研究中，它的研究内容将会越来越深，越来越丰富。

参考文献：

[1]方前锋，王先平，吴学邦等.内耗与力学谱基本原理及其应用[J].物理，2011，40（12）：786-793.

[2]刘宁，严国清，朱光等.Gd掺杂对La0.67Sr0.33C0O3、La0.67Sr0.33MnO3体系磁行为的影响[J].稀有金属材料与工程，2012，41（1）：19-23.

[3]王斌，李健伟，卫亚东等.石墨烯带正常-超导结的量子输运[J].深圳大学学报（理工版），2014，26（2）：111-118.

凝聚态物理学发展 篇4

2、增强创先争优意识,提升党建工作水平

3、发挥党员先锋模范作用,努力建设“五个沅江”

4、凝聚党员,凝聚群众,凝聚社会

5、做好凝聚党员工作,增强党组织吸引力

6、凝聚力就是吸引力、感召力、影响力

7、创新社会管理,凝聚发展力量

8、做好凝聚群众工作,增强党组织感召力

9、做好凝聚社会工作,增强党组织影响力

10、增强党的凝聚力,永葆党的先进性

11、坚持科学发展,加快富民强市

12、加强党的建设,推动科学发展

13、强化争先意识,提高服务效能

14、实施“凝聚力工程”,提高党的执政水平

15、组织争先进、党员争优秀、群众得实惠

16、一点一滴汇聚你我之力,一举一动成就科学发展

17、筑坚强堡垒,树先锋形象,促科学发展

18、下基层,访群众,解难题,促发展

19、实施“凝聚力工程”,夯实党的执政基础

凝聚青春力量,心系家乡发展 篇5

——江西省外高校赣籍学子团工委优秀青年学子创新创业座谈会

深秋十月，团江西省委召集组织省外高校赣籍学子团工委委员学子，来到南昌市湾里区新经济产业园参观学习、座谈交流。

2015年10月18日上午十点半，江西省外高校赣籍学子团工委组织第一次创新创业考察活动，全国9所C9高校及985高校、中国科学院、中央党校的33名青年代表，在团省委青少年发展中心主任毛鸿山、组织部长易军、宣传部长贾彧超、组织部副部长甘小平等领导带领下，来到湾里区新经济产业园参观学习，受到了湾里区委区政府的热情接待。新经济产业园区负责人向委员学子们讲解了产业园的规模、结构、功能、内涵等，讲解得非常细致深入，同学们兴趣很浓，认真听讲，多次提问。在区委区政府领导和产业园负责人的引领下，同学们参观了正在紧张施工的园区大楼。在施工现场，同学们普遍反映，真切地感受到了产业园的生动气氛以及当地领导干部和工人群众的热情和干劲。

参观之后，同学们来到会议大厅，同团省委领导、湾里区委区政府领导、新经济产业园区负责人进行座谈交流。座谈会气氛轻松，发言和讨论热烈。座谈会由毛鸿山主持。

凝聚人心谋发展 扬帆踏浪奔向前 篇6

——新城中学隆重召开2013—2014学年下学期开学典礼

初春的桓台，阳光明媚，暖人心扉；二月的新城，繁花盛开，蜂舞蝶飞。新年伊始，为更好地凝聚人心，共谋发展，力争在新的学期里再谱新篇，新城中学2013—2014学年下学期开学典礼隆重召开。

在会上校长代表学校致辞，勉励在座的同学在学习上更加刻苦、精益求精，取得更大的突破；希望在场的每一位老师在新的一年里务必戒骄戒躁，务必继续保持谦虚谨慎、踏实奋进的优良作风，为新城中学的发展而不懈努力。

开学典礼上，为更好地发挥典型与榜样的模范带头作用和示范引领作用，在学校营造起比、学、赶、帮、超的优良学习氛围，学校对2013涌现出的三好学生、优秀学生干部、进步之星、单科状元等优秀同学进行了表彰。此次评选表彰，充分彰显了新城中学稳定中求发展的指导思想，也体现了学校昂扬向上、奋发有为的精神风貌。

最后校长总结说：“新的一年勇于开拓、积极进取的战鼓已经擂响，学校全体师生一定会以学校的发展为依归，不断夯实办学水平，切实提升教学质量，为学校的发展作出自己应尽的贡献，成为让学生满意、家长放心、社会认可的学校。”

凝聚力量促发展 篇7

这是一份令人振奋的报告。

“全省地区生产总值突破万亿元大关，这是我省发展进程中的重要里程碑……”

“一般预算全口径财政收入、地方级财政收入增幅创分税制改革18年来的最高水平……”

“粮食总产达634.2亿斤，再创历史新高，提前一年实现增产百亿斤商品粮规划目标……”

数字佐证了一年来吉林的发展，这成绩来之不易，更催人奋进。

“政府工作报告立意高远、统揽全局、掷地有声、分量很重。总结2011年工作实事求是，分析当前形势客观准确，部署今年工作大刀阔斧。通篇体现了科学发展观的要求，具有鲜明的我省特色和强烈的时代特征。”徐斌代表对政府工作报告给予了充分肯定和高度评价。

代表们认为，2012年是实施“十二五”规划承前启后的关键一年，既面临严峻挑战，也面临难得机遇。国际金融危机影响短期内难以消除，世界经济下行明显，我国经济增长趋缓，外部环境依然不容乐观。因此，我们要保持清醒头脑，正确分析把握形势变化，立足当前、着眼长远，统筹兼顾、注重協调，稳中求进、好中求快，以更加坚定的信心抢抓新机遇，以更加十足的劲头应对新挑战，以更加扎实的工作开创新局面，努力保持经济社会平稳较快发展的势头。

刘润璞代表对今后的工作提出建议：一是抓住战略机遇期实现更好更快发展。大力引进资金、项目和人才，加快实施“双招双引”。二是在发展战略上，以长吉为关键节点，促进长吉图开发开放有实质性发展。长吉图是全省发展的龙头，西部是全省发展的龙尾，要投入更多精力关注西部。三是要调整产业结构，重点发展服务业。我省第三产业发展空间较大，应有更优惠的政策鼓励第三产业发展。四是要发挥科技优势，加大科技投入，发挥大学科研院所的作用，用待遇吸引人才，营造一种鼓励科技创新的氛围。

“要加快推进农业现代化建设。”杨绍明代表对农业给予了更多的关注，他认为，传统农业必然逐步向现代农业转变，现代农业必须走工业化发展道路。要加快推进农、畜牧业产业化，农业合作化，农业设施化，农业科学技术创新。要抓住国家对粮食主产区政策支持的机遇，加快我省农业现代化的步伐。

“工业化是城镇化、农业现代化的先导，处于领军位置，没有工业化的有效推动，城镇化、农业现代化都很难推进。”赵振起代表说，无论是投资拉动，还是项目建设，都要把着力点放在产业发展上，努力实现工业转型升级。

龙腾霄汉开新运，鹊立枝头报好音。新的一年开始了，白山松水养育的吉林儿女正豪情满怀，带着对美好未来的憧憬，又开始踏上了新的征程。