1998年诺贝尔物理学奖.doc

1998年诺贝尔物理学奖分数量子霍耳效应的发现 1998年诺贝尔物理学奖授予美国加州斯坦福大学的劳克林（Robert B.Laughlin，195O），美国纽约哥伦比亚大学与新泽西州贝尔实验室的施特默（Horst L.St rmer，1949）和美国新泽西州普林斯顿大学电气工程系的崔琦（Daniel C.Tsui，1939），以表彰他们发现了一种具有分数电荷激发状态的新型量子流体，这种状态起因于所谓的分数量子霍耳效应。 量子流体早在研究极低温状态下的液氦和超导体时就已有所了解。在这些领域里，已经有好几位物理学家获得过诺贝尔物理学奖。例如，卡末林昂内斯由于液氦的研究和超导电性的发现获1913年诺贝尔物理学奖；朗道由于液氦和超流理论获1962年诺贝尔物理学奖；巴丁、库珀和施里弗由于提出超导电性的BCS理论获1972年诺贝尔物理学奖；卡皮查由于发现氦的超流动性获1978年诺贝尔物理学奖；柏诺兹和缪勒由于发现高温超导获1987年诺贝尔物理学奖；戴维李、奥谢罗夫和R.C.里查森则因发现氦3的超流动性获1996年诺贝尔物理学奖。这么多的物理学家受到如此殊荣，说明凝聚态物理学在20世纪有极大的发展，而低温和超导在这一领域内又具有特殊重要的地位。分数量子霍耳效应正是继高温超导之后凝聚态物理学又一项崭新课题。 分数量子霍耳效应是继霍耳效应和量子霍耳效应的发现之后发现的又一项有重要意义的凝聚态物质中的宏观量子效应。冯克利青由于在1980年发现了量子霍耳效应而于1985年获得诺贝尔物理学奖。图981表示冯克利青所得霍耳电阻随磁场变化的台阶形曲线。台阶高度等于物理常数h/e2除以整数i。e与h是自然的基本常数e是电子的基本电荷，h是普朗克常数。h/e2值大约为25k。图中给出了i2，3，4，5，6，8，10的各层平台。下面带峰的曲线表示欧姆电阻，在每个平台处趋于消失。量子数i也可用填充因子f 代替，填充因子f由电子密度和磁通密度确定，可以定义为电子数N与磁通量子数N（/0）之比，即fN/N，其中为通过某一截面的磁通，0为磁通量子，0h/e4.110-15Vs.当f是整数时，电子完全填充相应数量的简并能级（朗道能级），这种情况的量子霍耳效应叫做整数量子霍耳效应，以与分数量子霍耳效应相区别。 整数效应发现两年后，美国新泽西州姆勒山ATT贝尔实验室的崔琦和施特默在研究霍耳效应中用质量极佳的砷华为基片的镓样品做实验。样品的纯度是如此之高，以至于电子在里面竟可以像子弹一样运动。也就是说，它在相当长的路程中不会受到杂质原子的散射。为了获得这样的样品，半导体样品要经过“调制”在传导层旁边的一层特别予以掺杂。他们用的样品是哥萨德（A.C.Gossard）制备的，而哥萨德所用的分子束外延技术则是由周（A.Cho）等人开发的。散射长度在低温下会增大，因此实验要在1K以下和非常强的磁场中进行。在原始的实验中，磁场的强度高达20T。出乎他们意料的是，这一实验所得的霍耳平台相当于填充因子要取分数值。他们最早发表的论文中公布了f1/3的平台。他们还发现有迹象表明在2/3处也有平台。根据最低朗道能级的粒子-空穴对称性，他们认为可能相当于空穴的1/3填充因子。图982中的虚对角线代表经典霍耳电阻，台阶形的实对角线代表实验结果。引起台阶的磁场以箭头标示。请特别注意崔琦和施特默第一次发现的在磁场最高值处的台阶（1/3）和冯克利青在较弱磁场下发现的一些整数台阶。 分数量子霍耳效应的发现使凝聚态物理学界大为惊奇。从来没有人预言过以分数填充的朗道能级有什么特殊值得注意的特性。崔琦和施特默完全知道，与整数量子霍耳效应相反，用忽略电子间相互作用的模型是无法对分数量子霍耳效应作出解释的。他们设想，理解整数效应的论据不能用于这种情况。然而，他们注意到，如果为了某种理由还要用到那些论据，就必须承认有携带分数电荷的准粒子存在，例如当f1/3时，准粒子所带电荷为e/3。然而，为什么会出现携带分数电荷的准粒子呢？ 分数量子霍耳效应的发现，是对理论家的严峻挑战。一时间理论方面没有多少进展。贝尔实验室的劳克林则独辟蹊径，他对分数量子霍耳效应作出了出乎人们意料的理论解释。劳克林证明，当电子体系的密度相当于“简单”分数填充因子为f1/m（m是奇整数，例如f1/3或1/5）时，电子体系凝聚成了某种新型的量子液体。他甚至提出了一个多电子波函数，用以描述电子间有相互作用的量子液体的基态。劳克林还证明，在基态和激发态之间有一能隙，激发态内存在分数电荷e/m的“准粒子”。这就意味着霍耳电阻正好会量子化为m乘h/e2。 劳克林认为，从基态到基本激发会产生特殊的旋涡。例如，可以想像我们从体系中移走一个（带整数电荷的）电子。在劳克林的图像中，有m个旋涡未受束缚，每个“准粒子”带一负1/m电荷，即被移走的整数电荷的1/m。类似地，如有一普通电子加到劳克林的液体中，就会立刻分出奇数的准粒子，每个准粒子带着电子电荷的同一分值。由于电子倾向于在基态中相互联系，这样库仑斥力可减到最小。增加或减少一个电子或磁通量子都会干扰这一次序，并造成相应的能量损失。正因为如此，f1/m量子态代表了凝聚的多粒子基态。由于电子的位置是不固定的，像在固体中那样，劳克林态成了一种新型量子液体。 分数量子霍耳效应的存在，本身就是上述理论的一项间接验证。然而，理论中心内容也得到了实验的直接验证。即，在激发谱和含有局域性分数电荷准粒子激发的激发态之间有一能隙。霍耳平台在分数填充因子1/m附近有一有限的宽度（否则，分数量子霍耳效应就观察不到了）。在有限的温度下，准粒子可以成对产生，所带电荷为e/m（电子类型）和e/m（空穴类型），而整体处于电中性。这些准粒子是可动的，会消耗能量，从而对体系的普通电阻有贡献。与超导体中或绝缘体中的情况类比，产生准粒子对的能隙应是产生电子型和空穴型准粒子的能量之和。可以从欧姆电阻随温度变化的关系求得的实验值。早期的实验（在日本、德国和美国都有人做）只能与理论作定性比较，因为样品还不够纯。无序抑制了分数效应，加强了整数效应。1989年ATT贝尔实验室的维勒特（R.L.Willett）和英吉利（J.H.English）与崔琦、施特默和哥萨德合作，获得了更好的样品。他们实验的值为5K6K或0.5meV1meV，与劳克林的理论预计相差不超过20。 除了准粒子激发，新型的量子液体还以密度（以及自旋密度）涨落的形式产生集体激发。这种激发可以用一波矢量k来表示，其长波限k0，可以看成是准粒子激发的相干叠加；而其短波限k，密度涨落代表的是非相干准粒子激发。印地安那大学的吉尔文（S.Girvin）及麦克唐纳德（A.MacDonald）和贝尔实验室的普拉兹曼（P.Platzman）发展了一种可用于集体激发的理论，这种理论类似于费因曼的超流氦理论。它建筑在劳克林对基态的描述，预言在激发谱中存在有限的能隙。1993年贝尔实验室的宾朱克（A.Pinczuk）及其合作者，用非弹性光散射测量了k0时f1/3态的能隙值，与理论相符甚好。碰巧，能隙在有限波矢量k0时有最小值，正好与朗道费因曼的“旋子最小”完全对应。根据这一理论，当m增大时，能隙变小；m7或9时，能隙消失。这表明点阵常数为1/k0时，劳克林电子液体有不稳定性，有可能会产生电子固体维格纳点阵。这种相变在实验中已经观察到了。 分数量子霍耳效应理论解释的第二项中心内容是电荷的分裂。分数电荷准粒子的存在已有三个小组用两种不同的方法获得。一种是1995年美国石溪纽约州立大学的哥尔德曼（v.Goldman）和苏（B.Su）经过共振隧道电流的测量；另一种是1997年以色列维兹罗科学研究所的海伯朗（M.Heiblum）和法国原子能委员会的格拉特利（C.Glattli）领导的小组所进行的研究。这两个小组测量隧道电流中的散粒噪声，这一测量清楚地表明电流是由电荷为e/3的物体携带的。 散粒噪声测量以很高的精密度进行，标志了引人注目的成就。散粒噪声的理论早就建立了，已经得到人们很好的理解，因此这项实验很容易就得到了解释。例如，在零度温度的极限内，散粒噪声正比于电流和流动粒子所带电荷。在有限的温度下，散粒噪声以大家熟知的方法改变。与理论比较所需参数，例如样品温度，可以用独立的测量测定，使粒子的电荷成为唯一的一项未确定的参数。拟合到理论上，即可给出准粒子电荷等于e/3，精确度的量级为10。 分数粒子霍耳体系物理学是在实验上和理论上仍然非常活跃的一个领域。在最初的几年里，在原始的发现之后，由于做出了更好、更纯的样品，又不断发现了一系列量子霍耳平台。新增加的平台相当于更复杂的分数填充因子fp/q，其中p是一偶整数或奇整数，而q是奇整数。哈尔丹、劳克林和哈尔佩林把劳克林的1/m态当作“母”态，将分数量子态“分级”，于是对新平台作出了说明。他把分数量子霍耳效应看成是复合粒子的整数效应，这种复合粒子则是由奇数的磁通量子束缚在每个电子上，组成了复合费米子。 1989年发现，当磁场调制到霍耳电阻等于电阻量子除以1/2或1/4，而不是1/3或1/5时，新的现象出现了。这些“偶分母”量子液体是费米液体，与“奇分母”量子液体基本上不同。这进一步说明了强磁场电子物理学的多样性。 总之，分数量子霍耳效应的实验发现及其用新的分数电荷激发的不可压缩量子液体作出的理论解释导致了我们认识宏观量子现象的一次突破，并且引发了一系列对基本理论真正深刻意义的现象出现，其中包括了电荷的分裂。 劳克林1950年生于美国加州维沙利亚（Visalia），美国公民。1979年在麻省理工学院获物理学博士学位。从1989年以来一直在斯坦福大学任物理学教授。 施特默1949年出生于德国的法兰克福，1977年在德国的斯图加特大学获博士学位。1992年1998年在贝尔实验室的物理研究实验室当主任。1998年以后，他是哥伦比亚大学教授。 崔琦是美籍华人，1939年出生在河南省，后转到香港，1957年从香港浦清（音译）中学毕业，1958年赴美，进入伊利诺伊斯州罗克岛奥古斯坦纳（Augustana）学院学习，1961年以优异成绩毕业。1967年在芝加哥大学取得物理学博士学位，做了一年的博士后研究，于1968年加入贝尔实验室。以后在贝尔实验室的固体电子学研究实验室工作，直到1982年转到普林斯顿大学，任电气工程系教授。他是美国科学院院士。崔琦和施特默与劳克林一起，1984年获美国物理学会巴克利凝聚态物理学奖，1998年获富兰克林学院物理学奖章。 1997年诺贝尔物理学奖激光冷却和陷俘原子 1997年诺贝尔物理学奖授予美国加州斯坦福大学的朱棣文（Stephen Chu，1948），法国巴黎的法兰西学院和高等师范学院的科恩塔诺季（Claude CohenTannoudji，1933）和美国国家标准技术院的菲利普斯（William D.Phillips，1948），以表彰他们在发展用激光冷却和陷俘原子的方法方面所作的贡献。 激光冷却和陷俘原子的研究，是当代物理学的热门课题，十几年来成果不断涌现，前景激动人心，形成了分子和原子物理学的一个重要突破口。 操纵和控制单个原子一直是物理学家追求的目标。固体和液体中的原子处于密集状态之中，分子和原子相互间靠得很近，联系难以隔绝，气体分子或原子则不断地在作无规乱运动，即使在室温下空气中的原子分子的速率也达到几百m/s。在这种快速运动的状态下，即使有仪器能直接进行观察，它们也会很快地就从视场中消失，因此难以对它们进行研究。降低其温度，可以使它们的速率减小；但是问题在于：气体一经冷却，它就会先凝聚为液体，再冻结成固体。如果是在真空中冷冻，其密度就可以保持足够地低，避免凝聚和冻结。但即使低到270，还会有速率达到几十m/s的分子原子，因为分子原子的速率是按一定的规律分布的。接近绝对零度（273以下）时，速率才会大为降低。当温度低到10-6K，即1微开（K）时，自由氢原子预计将以低于25cm/s的速率运动。可是怎样才能达到这样低的温度呢？ 朱棣文、科恩塔诺季、菲利普斯以及其他许多物理学家开发了用激光把气体冷却到微开温度范围的各种方法，并且把冷却了的原子悬浮或拘捕在不同类型的“原子陷阱”中。在这里面，个别原子可以以极高的精确度得到研究，从而确定它们的内部结构。当在同一体积中陷俘越来越多的原子时，就组成了稀薄气体，可以详细研究其特性。这几位诺贝尔奖获得者所创造的这些新研究方法，为扩大我们对辐射和物质之间相互作用的知识作出了重要贡献。特别是，他们打开了通向更深地了解气体在低温下的量子物理行为的道路。这些方法有可能用于设计新型的原子钟，其精确度比现在最精确的原子钟（精确度达到了百万亿分之一）还要高百倍，以应用于太空航行和精确定位。人们还开始了原子干涉仪和原子激光的研究。原子干涉仪可以用于极其精确地测量引力，而原子激光将来可能用于生产非常小的电子器件。用聚焦激光束使原子束弯折和聚焦，导致了“光学镊子”的发展，光子镊子可用于操纵活细胞和其它微小物体。1988年1995年在稀薄原子气体中先后观察到了一维、二维甚至三维的玻色爱因斯坦凝聚。这一切都是从人们能够用激光控制原子开始的。下面我们就来对历史作一点简单的回顾并且对激光为什么能使原子冷却作一点通俗的解释。 1.历史的回顾 早在1619年，当开普勒试图解释为什么彗星进入太阳系彗尾总是背着太阳时，他曾经提出，光可能有机械效应。麦克斯韦在1873年、爱因斯坦在1917年都对所谓的“光压”理论作过重要贡献，特别是，爱因斯坦证明了，原子吸收和发射光子后，其动量会发生改变。有光子动量参与的过程首推康普顿效应，即X射线受电子的散射。最早观察到反冲电子的是1923年C.T.R.威耳逊用云室作出的。第一次在实验中观察到反冲原子的是弗利胥（1933年）。1966年索洛金（P.Sorokin）等人发明的可调染料激光器，为进一步探讨“光的机械特性”提供了优越的手段。 20世纪70年代列托霍夫（V.S.Letokhov）以及其他苏联物理学家和美国荷尔德尔（Holmdel）贝尔实验室阿斯金（A.Ashkin）。小组的物理学家在理论上和实验上对光子与中性原子的相互作用进行了重要的早期工作。其中有一项是他们建议用聚焦激光束使原子束弯折和聚焦，从而达到陷俘原子的目的。他们的工作导致了“光学镊子”的发展，光学镊子可用于操纵活细胞和其它微小物体。 汉胥（T.W.Hnsch）和肖洛（A.L.Schawlow）1975年首先建议用相向传播的激光束使中性原子冷却。与此同时，外兰德（D.J.Wineland）和德默尔特（H.G.Dehmelt）对于离子陷阱中的离子也提出过类似的建议。汉斯和肖洛的方法是：把激光束调谐到略低于原子的谐振跃迁频率，利用多普勒原理就可使中性原子冷却。 2.激光为什么能使原子减速？ 光可以看成是一束粒子流，这种粒子就叫光子。光子一般来说是没有质量的。但是具有一定的动量。光子撞到原子上可以把它的动量转移给那个原子。这种情况要发生，必须是光子有恰好的能量，或者可以这样说，光必须有恰好的频率或颜色。这是因为光子的能量正比于光的频率，而光的频率又决定光的颜色。因此组成红光的光子比起组成蓝光的光子能量要低些。是什么决定光子应有多大能量才能对原子起作用呢？是原子的内部结构（能级）。原子处于一定的能级状态，能级的跃迁就是原子吸收和发射光子的过程。原子的能级是一定的，它吸收和发射光子的频率也是一定的。如果正在行进中的原子被迎面而来的激光照射，只要激光的频率和原子的固有频率一致，就会引起原子的跃迁，原子会吸收迎面而来的光子而减小动量。与此同时，原子又会因跃迁而发射同样的光子，不过它发射的光子是朝着四面八方的，因此，实际效果是原子的动量每碰撞一次就减小一点，直至最低值。动量和速度成正比，动量越小，速度也越小。因此所谓激光冷却，实际上就是在激光的作用下使原子减速。 然而，实际上原子束是以一定的速度前进的。迎面而来的激光在原子“看来”，频率好象有所增大。这就好比在高速行进的火车上听迎面开来的汽车的喇叭声一样，你会觉得汽车是尖啸而过，和平常大不相同。这就是所谓多普勒效应。也就是说，对于火车上的观察者来说，汽车喇叭声的频率是增大了。运动中的原子和迎面而来的激光也会有同样的效应。因此，只有适当调低激光的频率，使之正好适合运动中的原子的固有频率，就会使原子产生跃迁，从而吸收和发射光子，达到使原子减速的目的。因此这种冷却的方法称为多普勒冷却。理论预计，对于钠原子，多普勒冷却的极限值为240K。用激光可以把各种原子冷却，使之降到毫开量级的极低温度，这就是20世纪70到80年代之间物理学家做的事情。 1985年朱棣文和他的同事在美国新泽西州荷尔德尔（Holmdel）的贝尔实验室进一步用两两相对，沿三个正交方向的六束激光使原子减速。他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻止了下来，然后把钠原子引进六束激光的交汇处。这六束激光都比静止钠原子吸收的特征颜色稍微有些红移。其效果就是不管钠原子企图向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。在这个小区域里，聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。大家给这种机制起了一个绰号，叫“光学粘胶”。 上述实验中原子只是被冷却，并没有被陷俘。重力会使它们在1秒钟内从光学粘胶中落下来。为了真正陷俘原子，就需要有一个陷阱。1987年做成了一种很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。它用六束激光，如上述排列，再加上两个磁性线圈，以便给出略微可变化的磁场，其最小值处于激光束相交的区域。由于磁场会对原子的特征能级起作用（这种作用叫做塞曼效应），就会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。这时原子虽然没有真正被捉住，但却是被激光和磁场约束在一个很小的范围里，从而可以在实验中加以研究或利用。 朱棣文和他的小组在激光冷却和陷俘原子的技术中取得了突破性的进展，引起了物理学界的广泛关注。继他们之后有很多科学小组很快超过了他们，但是他们开创的激光减速方法和光学粘胶的工作一直是其它成果的基础。他们自己也没有止步，继续作出了新的努力。 例如，原子喷泉（图971）就是一项有重大意义的实验。朱棣文小组根据扎查利亚斯（J.R.Zacharias）和汉斯的建议，把几种新的方法结合在一起，创造了一种可以用极高的精确度测量原子的光谱特性的装置。他们把高度冷却并被陷俘了的原子非常平缓地向上喷出，在重力场中作抛射体运动，当到达顶点时原子正好处在微波腔内，然后在重力场的作用下开始下落。这时，用相隔一定时间的两束微波辐射脉冲对这些原子进行探测。如果微波脉冲的频率经过正确的调谐，这两个相继的微波脉冲将使原子从一种量子态转变成另一种量子态。用这种方法朱棣文小组曾经测量过原子两个量子态之间的能量差，第一次实验的分辨率就高达一千亿分之二。 借助原子喷泉可以对原子的能级进行极为精确的测量，因此有可能在这一基础上建立最精确的原子钟。目前不止有10个科学集体正在试制这种原子钟。 与此同时，菲利普斯和他在美国国家标准技术院的小组研究了在光学粘胶中缓慢运动的中性钠原子冷云团。他们被理论与实验之间微小的不符所激励，创造了精确测量处于不同冷却条件的云团温度的各种方法。他们采用一种技术测量原子从光学粘胶区域下落到探测激光束处的飞行时间。1988年初，他们发现，原子的温度约为40K，比预计的多普勒极限240K低得多。他们还发现，最低的温度是在与理论多普勒极限的条件相矛盾的条件下得到的。 朱棣文后来转到斯坦福大学，他所带的几个研究小组以及科恩塔诺季在巴黎高等师范学院的小组所做的实验，不久就证实了菲利普斯的发现是真实的。斯坦福小组和巴黎的小组几乎同时而且立刻对这一理论和实验之间的分歧作出了解释。原来多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具有简单的二能级谱。可是实际上真正的钠原子都具有好几个塞曼子能级，不但在基态，而且在激发态也是如此。基态子能级可以用光泵方法激发，也就是说，激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同分布，并引起新的冷却机制。这种布居分布的细节依赖于激光的偏振态，而在光学粘胶中，在光学波长量级的距离里偏振态会发生快速的变化。因此，人们为这种新的冷却机制取了一个名称，叫“偏振梯度冷却”。菲利普斯最早发现的特殊机制则取了另外一个名称，叫“希苏伐斯冷却”，希苏伐斯是希腊神话中的一个角色，传说他被判处把重石头推上山坡，而当重石被推到坡顶时，又会滚下山，于是他只能从头开始。原子总在失去动能，就好象是上山一样，经激光场又被光激发回到山谷，如此周而复始，反复进行，不断冷却降温。人们把低于多普勒极限的过程称为亚多普勒冷却。 1989年菲利普斯访问巴黎，他与高等师范学院的小组合作，共同证明了中性铯原子可以冷却到2.5K。他们发现，和多普勒冷却一样，其它类型的激光冷却也有相应的极限。以从单个光子反冲而得的速度运动的一团原子所相当的温度就叫反冲极限。对于钠原子，反冲极限温度为2.4K，而铯原子则低至0.2K。上述实验结果似乎就表示了，用偏振梯度冷却有可能使一群无规的原子云达到十倍于反冲极限的温度。在新近的发展中，人们做到了把冷却了的原子拘捕在所谓光格架的地方。这种格架是以光的波长量级作为间隔，靠改变激光束的位形加以调整。由于原子处在格架位置上要比处在任意位置能够更有效地冷却，从而可以达到无规状态下所能达到的温度的一半。例如，对于铯已经达到了1.1K。 单个光子的反冲能量之所以会有一个极限值，是因为不论对多普勒冷却还是偏振梯度冷却，两者都会发生连续的吸收和发射的循环过程。每个过