物理差点挂科,打台球拿诺奖了解一下?

时间:2019-04-16 09:14 来源:互联网 作者:佚名 浏览量:1882

简介:伊瓦尔·吉弗(ivar giver),挪威裔美国物理学家,1929年出生于挪威。他早年曾在挪威军队当了一年工程师,在挪威政府当了一年专利审查员人。他于1954年移民加拿大,加入加拿大通用电气公司的先进工程项目。1956年,他移民美国,在通用电气公司担任应用数学家,并于1958年进入研发中心。1965年,吉亚维尔获得了美国物理学会颁发的奥利弗·巴克尔奖。1973年,他与江崎玲于奈和约瑟夫森一起获得诺贝尔物理学奖。这篇文章翻译自吉亚维尔获得诺贝尔物理学奖后的演讲,讲述了他从大学时代的“台球大师”成长为实验物理学家并获得诺贝尔奖的人生经历。作者:伊万杰翻译:莫丁格

审校:wanen

在我的实验笔记本中,日期为1960年5月2日的条目是:“4月22日星期五,我进行了以下实验来测量超导体中的禁带隙。”这显然是一个非同寻常的记录,不仅因为我很少写实验记录,也因为这个实验的成功,我很荣幸今天在这里向大家演讲。对我来说,这个实验有一些机会或运气。在这堂课中,我将尽力回忆一些事件和与此相关的想法,尽管这并不容易讲清楚。对你们所有人来说,我希望这种主观记忆比严谨的讲座更有趣,尤其是现在有许多关于超导隧道的优秀综述文章。

奥斯陆报纸最近的一个标题写道:“台球和桥牌大师在物理学上几乎失败,但却获得了诺贝尔奖!”这篇论文提到了我在特隆赫姆的学生时代。我不得不承认这份报告相当准确,所以我不会试图“掩盖”,而是承认我数学差一点不及格。在那段时间里,我对机械工程课不太感兴趣,但我确实在1952年以中等水平毕业。由于挪威住房短缺,我和妻子最终决定移民加拿大,我很快在加拿大通用电气公司找到了一份工作。公司为我提供了一门为期三年的工程和应用数学入门课程。我意识到这一次会实现,因为这可能是我最后一次机会,所以我真的努力学习了好几年。

当我28岁的时候,我来到了纽约的斯克内克塔迪。在那里,我发现作为物理学家,有些人也有可能过上好日子。在那段时间里,我参加了公司在应用数学方面的各种任务,渐渐地,我觉得数学比我们实际应用的物理系统的相关知识要先进得多。因此,我想也许我应该学点物理,甚至工程师也有机会在通用电气的实验室里尝试一下。

我的任务是研究薄膜,对我来说,“电影”意味着摄影。然而,我很幸运能够和约翰·费希尔一起工作,他显然比我有更多的想法。费希尔最初是一名机械工程师,但最近他把注意力转向了理论物理。他认为薄膜技术可以用来制造实用的电子设备。不久之后,我开始研究被薄绝缘层隔开的金属薄膜,并试图进行隧道实验。我可以肯定费希尔知道江崎玲于奈的隧道实验,但我不知道。对我来说,他只在特洛伊的伦斯勒理工学院学习量子力学,粒子可以通过障碍物的概念似乎很奇怪。如果你把网球扔在墙上足够多次,它最终会穿过而不损坏墙或墙本身,这肯定和获得诺贝尔奖一样困难!当然,诀窍是使用非常小的球和许多球。因此,如果我们能把两种金属紧密地放在一起而不发生短路,金属中的电子就可以被认为是球,这里的“壁”就是金属之间的空间。这些概念如图1所示。虽然经典力学正确预测了大物体(如网球)的行为,但为了预测小物体(如电子)的行为,我们必须求助于量子力学。我们的物理洞察力与我们日常对大型物体的体验有关,所以我们不应该对电子有时出人意料的行为感到太惊讶。

图1 a .如果一个人把球扔向墙壁,球会反弹回来。物理定律允许球穿透或穿过墙壁,但由于球是宏观物体,这种可能性非常小。真空分离的两种金属与上述相似。金属中的电子是“球”,真空代表墙。这两种金属的图解能量图。电子没有足够的能量逃逸到真空中。然而,这两种金属可以通过隧道效应交换电子。如果金属之间的距离非常近,隧穿的可能性就非常高,因为电子是微观粒子。

因为费希尔和我都没有太多的实验物理背景,我们从一开始就犯了很多错误。为了能够测量隧道电流,两种金属之间的间距不得超过约100。考虑到振动的影响,我们决定一开始不使用空气或真空两层金属之间作为绝缘层,毕竟我们受过机械工程方面的训练!我们试图使用由朗缪尔薄膜和聚醋酸乙烯酯制成的各种薄绝缘层来保持两种金属分离。然而,这些薄膜总是有针孔,我们使用的汞辅助电极会导致短路。因此,我们花了很多时间测量非常有趣但不可重复的伏安特性曲线——我们称之为奇迹,因为每条曲线只会出现一次。几个月后,我们终于想出了正确的方法,那就是使用气相沉积金属薄膜,并用自然生长的氧化物层将它们分开。

图2是用于沉积金属薄膜的真空系统的示意图。如果铝在钽坩埚上电阻加热,铝将首先熔化,然后沸腾蒸发。铝蒸汽然后在蒸汽流中在冷基底上固化。最常见的基底是普通显微镜载玻片。利用金属掩模板的屏蔽效果,可以在载玻片上形成图案。

为了实现我们的想法,我们需要一台涂布机,所以我买了第一台实验设备。在等待它到来时,我非常担心。我担心我会陷入与这台昂贵的机器有关的实验物理学,当时我的计划是在学习了足够的知识后转向理论。预感是正确的。我真的被困在涂布机里,但不是因为它很贵,而是因为它让我着迷。图2示出了涂布机的示意图。为了制作隧道结,我们首先将铝带蒸发到载玻片上,然后将其从真空中取出并加热,以快速氧化表面。然后我们在第一层薄膜上镀上几条交叉的铝带,同时形成几个连接点。样品制备步骤如图3所示。这种方法解决了两个问题。首先,氧化物中没有针孔,因为它是自修复的。其次,我们摆脱了汞辅助电极引起的机械问题。

图3 a .中间有一层气相沉积铝带的显微镜载玻片。一旦铝膜暴露于空气中,将在表面上形成保护性氧化物绝缘层。氧化物的厚度取决于时间、温度和湿度等因素。形成氧化层后,蒸发与第一层膜交叉的铝带,将氧化层夹在两层金属膜之间。电流将沿着一个铝膜向上通过氧化层,然后通过另一个铝膜流出。同时,我们测量氧化物层上的电压降。c .电路图。图中测量了由两个铝薄膜和一个氧化层形成的电容器件的伏安特性。当氧化物层的厚度小于50时,有明显的直流电通过氧化物层。

到大约1959年4月,我们已经进行了几次成功的隧道实验。样品的伏安特性具有很强的重复性,与理论相符。典型结果如图4所示。我们已经进行了几次检查,例如改变结区和氧化层厚度以及改变温度。一切看起来都很好,我们的实验室甚至举办了一个研讨会。到那时,我已经解决了薛定谔方程很多次,足以说服自己电子有时表现得像波一样,我不再担心这个。

图4厚度相同但面积不同的五个隧道结的伏安特性曲线。电流与结面积成正比。这是我们发现隧道而不是短路的第一条线索。在早期的实验中,我们使用的氧化层相对较厚,所以只有小电流可以在低电压下通过。

然而,实验室里有许多真正的物理学家对我的实验提出了合理的质疑。我如何确保这是隧道效应,而不是金属短路、离子电流或半导体?当然,我不知道,虽然理论与实验是一致的,但对正确性的怀疑总是在我脑海中。我花了很多时间思考一些不可能的方案,如隧道三极管或冷阴极,所有这些都是为了证实我对隧道效应的解释。那时,我觉得做我认为有趣的事并得到报酬很奇怪。我的良心困扰着我。但是就像量子力学一样,只要你习惯了。现在我经常为相反的观点辩护:我们应该支持更多的人去做纯粹的科学研究。

图5 a .被阻挡层分开的两种金属的能带图。由于两种金属之间的电位差,它们的费米能级不同。只有能量高于左边金属中右边金属最高能级的电子才能隧穿到右边,因为右边只有这些电子的能级是空的。泡利原理只允许每个量子态中存在一个电子。右边的金属现在处于超导状态,所以在它的能带中有超导能隙,在能隙中没有单电子能态。左边的电子仍然可以通过屏障,但是如果施加的电压给它们提供的超导能隙不到一半,右边的超导体就没有与其能量匹配的状态,所以它们不能继续进入右边。只有当外加电压为隧穿电子提供一半以上的超导能隙时,电流才会产生。伏安特性曲线示意图。当两种金属都处于正常状态时,电流与电压成正比。当一种金属是超导的,电流和电压特性会发生很大变化。伏安特性曲线的确切形状取决于超导体中的电子能带。

我继续尝试我的想法,而约翰·费希尔以他独特的乐观和热情研究基本粒子问题。此外,我还收到了查尔斯比恩和沃尔特哈里森越来越多的建议和指导。只要给两位物理学家一支粉笔和一块黑板,他们就能神秘地解决问题。同时,我继续学习rpi的正式课程。一天,我们在亨廷顿教授的固态物理课程中学习了超导。嗯,我不认为电阻会精确地降到零,但是真正引起我注意的是超导体中的能隙,这是新的BCS(巴登-库珀-施里弗)理论的核心。如果这个理论是合理的,如果我的隧道实验也是合理的,那么将两者结合起来就会发生一些非常有趣的事情,如图5所示。当我回到通用电气的实验室时,我试图告诉我的朋友们这个简单的想法,我记得他们似乎并不认为它有那么好。能量差距确实是一种多体效应,这不能用我的方式简单解释,但即使有相当大的疑问,每个人都鼓励我继续尝试。然后我意识到我不知道在我能理解的电子伏特单位系统下的能隙的大小。但是这是一个很容易解决的问题,只要我用我通常的方法:先问比恩和哈里森。当他们都说是几毫伏时,我很高兴,因为它在一个容易测量的电压范围内。

图6低温实验的标准装置。它由两个杜瓦瓶组成,外层是液氮,内层是液氦。氦在大气压下的沸点为4.2k。通过对液氦减压,温度可以降低到大约1k。样品通过测量线简单地悬浮在液氦中。

我从未做过需要低温和液氦的实验,这似乎是一件复杂的事情。然而,像通用电气这样的大型实验室的最大优势是,在几乎任何领域都有知识渊博的人在你身边,更好的是,他们愿意帮助你。就我而言,我所要做的就是去大厅的尽头,沃伦·解吸奥正在那里进行超导体相关的实验。我不记得我花了多长时间安装借来的液氦杜瓦瓶,但可能不会超过一两天。不熟悉低温工作的人会认为整个低温领域非常深远,但真正要做的是获得液氦,这在实验室很容易做到。实验装置如图6所示。然后我用我熟悉的铝-氧化铝做样品,但是我在上面加了一条铅带。铅和铝都是超导体。铅超导在7.2k,所以你只需要使用沸点为4.2k的液氦来使铅超导。然而,铝超导管只有在低于1.2k时才能达到这个温度,我们需要一个更复杂的实验装置。

图7铝-氧化铝-铅样品的伏安特性曲线。当铅进入超导状态时,电流不再与电压成比例。在4.2k和1.6k之间有很大的变化,因为超导能隙随温度而变化。当施加的电压提供的势能小于能量间隙的一半时,由于导体中电子的热激发,一些电流仍然存在。

我尝试的前两个实验失败了,因为我添加的氧化层太厚,无法用我使用的仪器进行可靠的测量,这些仪器只是标准电压表和电流表。每当我想到这一点,我就觉得很奇怪,因为仅仅13年后,实验室里就堆满了复杂的x-y记录器。当然,那时我们有许多示波器,但是我不太熟悉如何使用它们。在第三次尝试中,我没有有意氧化第一个铝带,只是将它暴露在空气中几分钟,然后将它放回沉积在涂布机中的铅十字带中。这样,氧化物的厚度不会超过30,我可以用现有设备轻松测量伏安特性。对我来说,实验中最伟大的时刻总是在我知道一个特定的想法是好是坏之前到来,所以即使失败也是令人兴奋的。当然,我的大多数想法都是错误的。但这次成功了!当电极从正常状态变为超导状态时,伏安特性曲线显著变化,如图7所示。这太令人兴奋了!我立即用不同的样品重复了这个实验——一切看起来都很好!但是这一结论如何最终确定呢?众所周知,超导性会被磁场破坏,但是我使用的简单杜瓦瓶装置是不可能做这个实验的。这次我不得不穿过整个大厅去以色列雅各布斯的实验室研究低温磁性。我再次幸运地能够直接使用一个实验装置,它可以控制温度和磁场。有了这个设备,我可以很快完成所有的实验。基本结果如图8所示。所有的结果都很一致。我记得当时整个小组都很兴奋,尤其是比恩,他热情地在我们实验室传播这个消息,耐心地向我解释实验的重要性。

图8在1.6k不同外加磁场下的伏安特性曲线在2400高斯时,铅膜处于正常状态,在0高斯时,铅膜处于超导状态。800高斯和0高斯之间的变化是由于超导能隙随外加磁场而变化。

关于咖啡时间的非正式讨论。左起:伊万杰耶夫、沃尔特哈里森、查尔斯比恩和约翰费希尔

当然,我不是第一个测量超导间隙的人。我很快发现了m.tinkham和他的学生利用红外传输完成的美丽实验。我仍然记得,我非常担心自己测量的间隙大小与之前的测量结果不一致。但是比恩马上告诉我,从那以后,其他人将不得不接受我的结果。我的实验将成为标准。我很开心,第一次感觉自己像个物理学家。

图10当温度高于0 k时,具有不同能隙的两个超导体之间的隧穿。(a)在两个导体之间没有施加电压。当施加电压时,越来越多的热激发电子将从具有较小能隙的超导体流向具有较大能隙的超导体。在图中所示的电压下,所有受激电子都可以在右边找到零态。(c)。随着电压的进一步增加,不再有电子起作用。随着能够接受隧穿电子的状态数量的减少,电流将随着电压的增加而减少。当电压足够高时,左边超导体能隙下的电子对应右边的空态,电流将迅速增加。(d)。预期伏安特性示意图。

这是我一生中最激动人心的时期。我们有一些好主意来改进实验,并将其扩展到各种材料,如普通金属、磁性材料和半导体。我记得我们有很多非正式的讨论,讨论在喝咖啡的时候下一步该做什么,其中一个被记录在1960年的一张照片中,如图9所示。说实话,照片是摆好姿势照的,我们的衣服一般不太正式,我也不负责黑板上的演绎!我们的大多数想法都不是很有效,哈里森很快发表了一个理论来证明生活毕竟是复杂而难以理解的。但是超导实验非常有吸引力,而且总是有效的。隧道概率似乎与超导态密度成正比。现在,如果这被认为是严格正确的,不难认识到两个超导体之间的隧穿应该反映负电阻特性,如图10所示。负电阻当然意味着放大器、振荡器和其他设备。但是我周围没有设备通过减压和冷却液氦来超导铝。这一次,我不得不离开我们的大楼,在下一栋大楼里重新启动一个旧的低温装置。果然,一旦铝超导,负电阻就会出现。事实上,隧穿概率与态密度成正比的观点在实验上是正确的。图11显示了典型的实验特征。

图11在两种不同超导体之间的隧道实验中获得的负电阻特性。

事情进展得很顺利,因为我们可以利用这种效应制造各种电子设备,但是当然,它们只能在低温下工作。我们仍然应该记住,半导体器件在1960年并不那么先进,我们认为超导结极有希望与它们竞争(例如川崎二极管)。我面临的基本问题是走哪条路,工程还是科学?我决定先做科学,并得到了老板罗兰施密特的全力支持。

现在回想起来,我意识到施密特研究这个新领域是多么诱人,尤其是当我们周围有这么多有经验的物理学家的时候。相反,施密特在适当的时候向我介绍了一位同事卡尔·梅格勒,他作为一名培训研究员加入了我们的实验室。麦克吉尔和我一起工作得很好。不久,我们发表了一篇论文,讨论了许多基本效应。

图12铅结在低温下的归一化微分电导。简单的bcs理论可以预测,随着能量的增加,微分电导应渐近于一个单位。但相反的是,在4倍超导能隙到8倍超导能隙之间我们可以观察到几个摆动。这些摆动与铅中的声子谱有关。对于物理学来说,把实验扩展到更高的能量、更强的磁场,或者对于我们的情况来说,扩展到更低的温度,一直都是很重要的。因此,我们与霍华德·哈特(howard hart)合作,他刚刚建成了一台氦3制冷机,能够将温度降到0.3k。同时,麦格尔做好了一个锁相放大器,我们可以用它直接测量微分电导。那是一台相当漂亮的仪器,磁铁在其中以每秒8圈的速度绕拾波线圈旋转,当然它是远远比不上现代的锁相放大器的。我们早就知道铅的伏安特性曲线存在异常

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