1973年诺贝尔物理学奖——隧道现象和约瑟夫森效应的发现

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1、1973年诺贝尔物理学奖——隧道现象和约瑟夫森效应的发现  1973年诺贝尔物理学奖一半授予美国纽约州约克城高地（YorktownHeights）IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈（LeoEsaki，1925—），美国纽约州斯琴奈克塔迪（Schenectady）通用电器公司的贾埃沃（IvarGiaever，1929—），以表彰他们分别在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现；另一半授予英国剑桥大学的约瑟夫森（BrianJosephson，1940—），以表彰他对穿过隧道壁垒的超导电流所作的理论预言，特

2、别是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象。江崎玲於奈1925年3月12日出生于日本大阪的一个建筑师家庭里，1938年，江崎进入同志社中学，三年后父亲去世。江崎自幼就表现出对科学的浓厚兴趣，喜欢阅读科学家传记故事，立志要作像爱迪生和马可尼那样的发明家，小时自己动手制作电动火车和汽车模型。1940年，他以优异成绩越级进入京都第三高等学校。1944年初提前毕业。同年10月，江崎进入东京帝国大学攻读实验物理。在大学期间，为维持生计勤工俭学，做晚间家庭教师。他认真学习了数学和物理课程，并自学物理学专著。1947

3、年，江崎获硕士学位，有机会进入神户工业股份有限公司研究真空管热电子发射现象。他由此接触到固体表面物理化学性质和真空管材料技术。由于这项研究与强外电场作用下的冷金属表面电子发射现象有关，他对固体中的隧道效应发生了兴趣。1950年，他转入对半导体材料和晶体管的研究。这时，晶体管刚刚发明。1956年江崎辞去神户公司的工作转入索尼公司。在索尼公司领导了一个小组对半导体二极管内电场发射机理进行研究。这项研究主要考查窄宽度p－n结的导电机制。p-n结中内电场分布取决于杂质的分布。当时许多研究者都把提取含杂质少的

4、高纯半导体材料当作目标，而江崎选择了相反的路线，他尝试制备高掺杂的锗p－n结器件。1957年初江崎首先获得了掺有高浓度杂质的锗精制单晶体做成了薄p－n结。他发现这种薄p－n结的正向电阻特性没有变化，但反向电阻却呈直线下降趋势。随后，江崎增大了掺杂浓度，使结宽进一步变窄。当浓度达到1018cm-3以上时，p－n结的施主和受主浓度都高到使结两侧呈简并态，费米能量完全占据了整个导带或价带内部。江崎发现，在这种隧穿路程极短的情况下，所有温度条件下都可以观察到负阻现象。负阻现象所对应的电压远低于人们熟知的击穿

5、电压。江崎用量子力学理论令人信服地证明了这正是人们长期以来所寻找的隧道效应，这项研究确立了隧道效应在半导体材料中的存在。接着，江崎利用这种半导体p－n结中的隧道效应研制出一种新型半导体器件——隧道二极管。这种二极管具有独特而优异的反向负阻特性，可在开关电路、振荡电路、微波电路以及各种高速电路中获得广泛应用，成为现代电子技术中最重要的器件之一。正是这项贡献使江崎于1973年获得诺贝尔物理学奖。1958年，江崎进一步研究了硅、锑化铟、砷化镓、砷化铟、碲化铅、碳化硅等金属氧化物半导体材料的p－n结，证实它

6、们也有类似的负阻特性。用这些材料制成了多种隧道二极管。70年代，江崎在研究砷化镓等材料的周期性超晶格结构时，指出这些材料的负阻效应的工作频率上限远高于当时已知的任何半导体器件，为后来微波、毫米波、亚毫米波电子学发展提供了制作器件的切实依据。江崎研究硅隧道二极管时，精确分析了隧穿电流，揭示了材料的电子状态，说明了隧穿电子与势垒中的声子、光子、等离子体量子甚至分子类振动模式之间的相互作用。这些对隧穿物理机制的研究，开创了一门新兴学科——隧穿波谱学。1959年，日本东京大学授予江崎理学博士学位。1960年

7、，江崎迁居美国，任国际商用机器公司（IBM）中央研究所研究员。江崎与贾埃沃共享1973年诺贝尔物理学奖的一半。他们都是由于隧道现象的研究，江崎由于发现了半导体中的隧道现象，而贾埃沃则因为发现了超导体中的隧道现象。贾埃沃1929年4月5日出生于挪威的卑尔根（Bergen），并在那里受教育。1954年他以一名机械工程师的身份移民到了加拿大，进入加拿大通用汽车公司。1956年他参加工程师培训班，到美国纽约州通用电气研究所，与该所的电气实验室签订了6个月的合同，负责有关热流的研究项目。就在这段期间，贾埃沃注

8、意到这个实验室里还有一个研究课题是有关固体物理学的，这个课题对他更有吸引力，于是在合同期满时转到了这个小组。同时，贾埃沃还在一所工科学院选修高级物理课程。这一阶段的学习对他后来的工作有相当重要的影响。这个固体物理小组中有一位物理学家名叫费希尔（J.Fisher），曾对薄膜中的电子的特性作过研究。根据BCS理论可以证明，在超导体中有能隙禁区存在，如果把具有禁区能量的电子注入超导体，这些电子就会受到禁区的排斥。费希尔认识到这一结论的重要性，极力主张以实验予以证明。贾埃沃就