歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1973江崎玲於奈

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-03-12
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  • 所謂的量子穿隧效應(Quantum tunnelling effect)是指像電子等微觀粒子能夠穿入甚至穿越位能障壁的行為。儘管在古典力學中,當位能障壁的高度大於粒子的總能量,這種行為隱含著負動能值,這完全是不可能發生的事。但是在量子力學中這卻是稀鬆平常的事。量子穿隧理論原先被應用在原子物理與原子核物理中。最有名的例子莫過於喬治·伽莫夫於1928年用量子穿隧效應解釋原子核如何產生ɑ衰變以及核融合如何發生。但是量子穿隧效應在半導體物理學、超導體物理學等其它領域也有很重要的應用。1973年的諾貝爾物理獎就是頒給三位將量子穿隧效應(Quantum tunnelling effect)應用到半導體物理學、超導體物理學相關領域的物理學家:出生於日本的美國籍物理學家江崎玲於奈(出生於1925年3月12日)與出生於挪威的美國籍物理學家伊瓦爾·季埃弗(Ivar Giaever,出生於1929年4月5日)兩人因「發現半導體和超導體的隧道效應」而各得到四分之一的獎金。英國物理學家約瑟夫森(Brian David Josephson,出生於1940年))則因 「理論上預測出通過位能障壁的超電流(supercurrent)的性質,特別是被稱為約瑟夫森效應的現象」而得到另外一半的獎金。值得一提的是是得獎的當時,這三人都不是大學裡的教授,江崎玲於奈當時任職於IBM,而賈埃弗則是在通用電氣工作。至於約瑟夫森當時還是劍橋的講師(Reader),他在得到諾貝爾獎後才被升為教授。
     

    Leo_Esaki_1959
    圖片來源:https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=40844238
     

    三人之中最年長的江崎玲於奈在1925年出生於日本大阪中河內郡高井田村(現在的東大阪市),成長於京都。江崎家毗鄰京都帝國大學與同志社大學校園,父親江崎壯一郎是一位建築師,哥哥是畢業於京都帝大的鐵道工程師。他與湯川秀樹,朝永振一郎一樣,都是第三高等學校的畢業生,但高校畢業後他考入東京帝國大學學習物理學。他曾於1944年10月在東大參加湯川秀樹開設的核子理論課。也曾親身經歷二戰時的東京大轟炸。江崎大學畢業後進入川西機械製作所工作,起初他研究的是由真空管的陰極放出熱電子的現象,因受到約翰·巴丁、沃爾特·布喇頓和威廉·肖克利發明電晶體的鼓舞,轉而研究重摻雜的鍺和矽。1956年他轉入東京通信工業株式會社(現在的Sony)擔任半導體研究室主任研究員,進行PN結二極體研究。經過一年的嘗試後得知,每當鍺的PN結寬度變薄時,穿隧效應就會影響電流 - 電壓之特性,隨著電壓增加,電流反而減小。此一發現是物理學中首次出現的固體穿隧效應,也是電子學中的一個新型電子元件:江崎二極體(或稱隧道二極體)的誕生。
     

    另一位得獎人季埃弗,於1952年在特隆赫姆的挪威技術學院獲得機械工程學位。1954年他從挪威移民到加拿大,受僱於通用電氣的加拿大分部。 四年後他移居美國,加入位於紐約斯克內克塔迪的通用電氣公司研究與發展中心。此後,他一直住在紐約的尼斯卡尤納,並於1964年獲得美國國籍,在倫斯勒理工學院獲得博士學位。在1960年,季埃弗證實了在超導體裡也會出現量子穿隧效應,因此展示出超導體所具有的能隙,這是超導體的BCS理論中重要的預測之一。1962年,當時還是劍橋大學博士生的布賴恩·約瑟夫森發表理論做出進一步的預測,超電流可以穿越過在兩個超導體之間由一薄層絕緣氧化物製成的位能障壁,約瑟夫森證明了這是因為成對電子(庫柏對)的穿越動作。他的計算結果題目為《超導隧穿中的可能新效應》的論文發表在7月1日的《物理學評論快報》(Physical Review Letters)中。但是曾獲得1956年諾貝爾物理學獎(並於1972年再次獲得此殊榮)的美國物理學家約翰·巴丁強烈地反對約瑟夫森超導穿隧效應。 巴丁在1962年7月25日向《物理評論快報》(Physical Review Letters)投了一篇文章,指出“不可能有這種超流體流動”。這導致了當年9月第八屆低溫物理國際會議上,在倫敦女王瑪麗學院發生了一場著名的辯論。當巴丁開始講話時,約瑟夫森居然站起來當場打斷了他的發言。雙方言詞交鋒了好幾回合,由於兩人態度平和,並沒有太多火藥味,不失為科學史上的一件盛事。普林斯頓貝爾實驗室的菲利普·安德森(Philip Anderson)和約翰·羅威爾(John Rowell)在他們的論文“可能的約瑟夫森超導隧穿效應觀察”的論文在1963年1月發表在《物理評論快報》。證實了約瑟夫森的預測。巴丁這時才收回他之前的反對。
     

    得獎之後,三人各自走上不同的人生道路。江崎持續他在半導體物理的研究。
     

    1972年,江崎在III-V族半導體中實現了他的超晶格概念,後來這個概念影響了許多領域,如金屬和磁性材料。1992年他回到日本擔任筑波大學校長直到1998年。
    2000年擔任第一屆芝浦工業大學校長,並應首相之邀加入教育改革國民會議。2006年以來江崎擔任橫濱藥科大學的校長。在2015年南部陽一郎逝世之後,他成為日本現存最年長的諾貝爾獎得主。(微中子天文學得獎的小柴昌俊比他還小一歲。)2015年3月,日本茨城吾妻2丁目的中央公園設置了江崎、小林誠、朝永振一郎的銅像,以彰顯3位諾貝爾物理學獎得主的功績。

     

    至於季埃弗後來主要都在從事生物物理學領域的研究。因為他否認碳排放造成氣候變遷的”另類”看法引發爭議,所以不得不辭去在美國物理學會的職位。而約瑟夫森在1974年成為劍橋的正教授,後來一直擔任該職位,直到2007年退休。但他長期對非正統的各樣”偽科學”表達支持而遭到同行的非議。看來諾貝爾獎的光環並非是萬能而無往不利的,這一點也頗值得各位讀者深思。

     

    註:BCS理論(BCS theory or Bardeen–Cooper–Schrieffer theory)是解釋常規超導體的超導電性的微觀理論。該理論以其發明者約翰·巴丁、利昂庫柏和約翰·施里弗的名字首字母命名。巴丁、庫柏、施里弗在1957年發表,因此獲得1972年的諾貝爾物理學獎。

     

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