（二）微结构物理的兴起
1．纳米物理学的诞生
纳米结构指尺度为纳米数量级的超细微粒，它们属于原子与一般物质的中间领域的
物
质。由于它们的尺度与电子的德布罗意波长数量级相差不多，因而具有许多异常的特性
。
对纳米微粒及纳米固体的研究，开辟了人类认识世界的新层次。早在1959年，美国著名
物
理学家费因曼（Feynman，Richard Philips 1918～）在加州理工学院对美国物理学会的
一
次演讲时，曾卓有见地地预言：“如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将
会
有什么奇迹？……我毫不怀疑，当在很小的尺度上控制物体的结构时，我们就能使物体
具
有极端丰富多彩的性质。”
研究远古陨石结构发现，它们是由原子构成的纳米团簇（cluster）在引力下凝集而
成
。有人估计，这种纳米结构材料始于宇宙大爆炸。从海贝壳到人体等生物系统中，也能
找
到许多天然的纳米结构，但是，人类有控制地制造纳米结构却非易事。60年代，东京大
学
的久保亮五（R. Kubo）曾发表一篇关于量子约束理论的论文①。这篇论文中谈到了超细
微
粒粒子的独特性质，但在当时并未引起人们的注意。在70年代，麻省理工学院的德雷克
斯
勒提出一个用模拟细胞生物分子的分子装置，制造超细微粒的设想，并把它命名为纳米
技
术。此后，他与斯坦福大学联合成立了纳米技术（NST）研究组。
真正对纳米物理展开系统研究始于90年代初。1982年，本尼格（G. Binnig）和罗若
尔
（H. Rohrer）发明了扫描隧道显微镜（STM），它以高分辨率向人们展现了一个可见的
原
子、分子世界。到了80年代末，扫描隧道显微镜已经由一个助视仪器发展为费因曼所设
想
的排布原子的工具。90年代初，纳米物理学已经作为独立的学科研究领域正式诞生。19
90
年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际NST会议。此时，两种专业国际刊物《Nonote
ch
nology》与《Nonobiology》 已经或即将出版；日本与英国等少数科技先进国家制定了
发
展纳米技术的国家科学规划；美国自然科学基金会将纳米技术作为优先发展项目；冠以
纳
米（Nano）的新名词和新概念，如纳米电子学、 米材料、纳米加工和纳米生物学等，
正
式在各种科技书籍与文献中出现。这一切都表明，纳米物理学已经作为一门正式的独立
学
科领域，步入了物理学的殿堂，它的诞生与发展，不仅对物理学，同样对整个自然科学
与
技术产生着重大的影响①。
2．AB与AC效应研究
1959年，阿哈勒诺夫（Y. Aharonov）和玻姆（D. Bohm）发表一篇论文②，该论文
认
为，在电子运动的空间中，无论是否存在电磁场，电子波函数的位相都会受到空间中电
磁
势的影响。由此他们做出结论，在量子理论中，电磁势要比经典电磁理论中的电场与磁
场
强度更有意义。他们同时建议了几种能证实上述理论的实验途径，图1所示就是其中的一
种
。入射电子束在A点被分为两束，磁场B处于与图面垂直的螺线管中。两支电子束在观察
屏
S处相遇形成干涉。在电子经过的路径上，磁感应强度为零，但是磁矢势A却不为零。正
是
由于磁矢势的存在，使两束电子产生了附加位相差，该值恰好为电子路径包围磁通量的
e/
h倍。他们认为，改变B值，影响磁通量，将使位相差改变，电子的干涉图样就会受到影
响
。同样，如果在两束电子的路径上各加一只金属筒，当电子进入筒时，在两筒上加不同
的
电势，电子出离筒后，即将电势撤消，电子束也会因电势的不同产生附加位相差，导致
干
涉图样变化。发表这一理论的时候，阿哈勒诺夫正在美国南卡罗莱纳大学物理与天文学
系
及以色列特拉维夫大学物理系任教。阿哈勒诺夫很善于研究那些通常被人们忽视的物理
现
象。他所预言的一些效应先后被实验证实，由于具有重要意义，都在物理界引起不小的
波
澜。AB效应就是其中一个，是他与任教于伦敦大学的玻姆共同提出的。1960年，AB效应
被钱钱伯斯
hambers）实验证实①。随后，美国、联邦德国、意大利等几个实验小组
也陆续进行了类
似的实验，都支持了这一预言。尽管如此，由于电子的波长很短，限制磁场的区域很小
，
螺线管半径不但必须很小，长度还要无限长，这些条件很难得到实验保证，因而有人对
实
验结果的可靠性表示怀疑。直到80年代中期，日本物理学家用超导材料将磁 ∑帘我院螈
冢な档腁B效应才被物理界普遍接受。AB效应的证实对物理学的影响是深远的。本
世纪
初，相对论与量子论的问世，给人类对物理世界的认识带来了崭新的图象与观念，使物
理
学发生了天翻地覆的变化。然而，麦克斯韦电磁理论却仍然保持原有风貌，似乎不受其
影
响。这一点却也不难理解，因为麦克斯韦方程自身的协变性，使其天然地与相对论的要
求
和谐一致。此外，这一方程又能满足电磁波量子性的要求。然而，深究起来，在经典电
磁
理论与量子理论之间，也有一点不一致，这就是所谓的AB之争。
从表面看来，AB之争所涉及的似乎只是两个物理量的问题。在经典电磁理论中，描
述
场的两个基本量是电场强度和磁感应强度，电标势?是在电场基础上，利用环路积分引入
的
，它具有物理意义，虽然数值不唯一，却是可以实验测量的。磁矢势却不同，虽然它也
是
在磁场的基础上引入的，却不具有明确的物理意义，数值不唯一，也不能实验观测。因
此
，在经典电磁理论中，常把作为描述磁场的基本量，纯属于为计算方便而引入的过渡量
或
辅助量。
在量子电动力学中，和的地位则皆然相反。出现在方程中的电磁量是?和，而不再是
与
。与相比，成为第一位的物理量。与哪一个更为本质的问题，在本世纪20年代量子理论
创
建时即被提出，直到1959年才被阿哈勒诺夫及玻姆所解决。
AB效应表明，描述磁场的矢量与磁场相比，是更为本质的。这一点仅能通过量子效
应
才能显现出来。对固体材料AB效应的观察是近几年来的事。最初观察的是线度很小的金
环
。金环的直径0.8μm，宽0.4μm，附在硅片上。沿直径接入电极后，通过电流测量金环
的
电压。整个实验在0.06K的超低温下进行。垂直环面加入磁场，电子沿金环的各一半，分
两
路流出。在汇合处，两路电子波产生干涉，由合振幅的模即可确定磁阻。实验结果发现
，
金环磁阻随磁场周期性地变化。振荡周期与样品面积的乘积，恰好与AB效应所要求的h/
e值
相等，从而证实了固体材料中，电子波的量子干涉AB效应。AB效应的观测，很自然地涉
及
到纳米物理学的进展。观测到该效应的前提条件是电子波能现出可观测到的相干性。在
真
空条件下，电子束的干涉比较容易观察到，然而在固体材料中，电离杂质与晶格的振动
都
能破坏材料的理想周期性，因而造成电子散射。由于电离杂质的质量比电子大得多，对
电
子静电作用的结果，离子受影响较小，电子却偏离了原来方向的运动而发生散射。这种
散
射属于弹性散射，它虽然能使电子波的位相发生变化，却不改变电子波的相干性；然而
，
晶格振动造成的散射，涉及声子的发射与吸收，属于非弹性散射，将严重地影响电子波
的
相干性。可见，若能在固体材料中观察到AB效应，对材料的纯度要求并不高，但对材料
的线线度有
叶ǖ囊蟆Ｒ蛭缱颖匦朐谑艿椒堑陨⑸渲埃布丛诹酱畏堑
陨⑸浞⑸洌
┕贰８莸缱拥钠骄杂沙淌奔洌梢约扑愠龅缱硬ㄏ喔沙ざ萀?。一般金属在温
度
1K下，相干长度可达 μm数量级。在现代科技条件下，制造长度在μm以内、线宽在几
十
个nm以内的环状样品已不困难，因而这一领域的研究得以迅速发展。当材料的线度L≤L
?时
，材料内将可能包含108～1011个原子，因此，无论观测的对象、观测的手段以及观测的
量
值（如电流或电压等）都仍属于宏观范畴。然而实验的结果却能反映电子的波动性和体
系
微观物理的规律，这再一次表明，纳米结构物理学研究的特殊意义。它开辟了用宏观领
域
的研究方法与概念探讨微观物理规律的新途径。
AB效应的研究仍在继续发展中。由于电磁场是一种最简单的U（1）规范场，人们很
自
然地会联想到，是否能把AB效应推广到其它规范场中。华裔美籍物理学家杨振宁和吴大
峻
曾在一篇论文①中讨论过杨—米尔斯SU（2）规范场的AB效应问题。而阿哈勒诺夫和卡谢
又
于1984年根据电与磁的对偶性，提出了AC效应的预言。
AC效应的提出与证实，是纳米物理学的又一重要进展。它由阿哈勒诺夫与在特拉维
夫
大学的同事卡谢（A.Casher）共同提出来的，用他们两人姓氏的第一个字母，简称为AC
效
应。阿哈勒诺夫与卡谢认为，如果存在有磁场作用的AB效应，根据电与磁的对偶性，一
定
会存在着一种AB效应的对偶效应。在电磁场的张量相对论理论中，电磁场张量Fuv应有1
6个
分量。由于这一张量的反对称性，四个对角元素为零外，两侧对称量等量反号，所余的
独
立分量即只有6个，这就是3个电场分量与3个磁场分量。根据张量理论，电场与磁场互为
对
偶场，当电与磁量按一定规则互换时，对应的物理规律相互对偶。这样，在相应的AB效
应
示意图中，把螺线管替换成一条垂直图面的无限长带正电线，把电子束替换成中子束。
中
子不带电，却由于其自旋而具有磁矩，令中子束中，每个中子的磁矩与带电线平行。AB
效
应中，电子不受磁场力；AC效应中，中子不受电场力。AB效应中，由于磁矢势的存在，
引
起电子相移；AC效应中，将由于电势?的存在，引起中子相移发生。阿哈勒诺夫与卡谢还
预
言，中子相移的大小，与荷电线的带电密度成正比，对于一般的荷电线密度，他们估算
结
果，相移约为1.5mrd。1989年，他们的这一预言被墨尔本大学、密苏里大学和纽约州立
大
学组成的联合研究组所实验证实。实验中使用的带电线为45kV的细丝高压正电极，而中
子束束来
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缦叩牧讲喔浇倬诙ゾЧ杵凵洌谋浞较蚝笙嘟弧７直鹩昧教?He正比计
数
器
测量。为使中子数累计到理论所要求的 107个，整个实验持续了几个月。最后测得相移
为
2.19±0.52mrd，这个结果证实了AC效应的存在①。3．超微结构的量子效应研究
在大块金属样品中，电子的能级分布是连续的，然而当物质颗粒尺寸极小时，例如
电
子数目减少到 103～ 104个时，电子能级则表现为不连续的离散分布。日本物理学家久
保
亮五于1962年提出了能级离散分布的条件式，这是费密能级间距δN与颗粒中所含原子数
N
的关系式，
对于大颗粒或一般物体，N→∞ ，δN→0；但对于纳米颗粒，N虽然大却有限，δN
为
一个定值，因而能级是分离的①。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或者
超
导态的凝聚能时，相关的物理现象就会表现出量子效应。因此，纳米颗粒的热、电、光
、
磁以及超导等宏观特性将与大颗粒或一般尺寸的物体，有着显著的不同，这种差异即称
为
量子尺寸效应。
量子尺寸效应对超微粒的物理性质有重要影响。然而，超微粒子的尺寸大小各异，
粒
子的体可能呈离散态、链状、网络状或聚合状；承载粒子的载体也有千百种；载体
与
粒子的界面也变化多端，上述各种因素的影响，使粒子的物理性能也多种多样。由于量
子
尺寸效应，粒子的熔点均比同样块状材料低得多，其热导也具有奇异特性。多孔状超微
粒
子体，在低温或超低温下的热阻几乎为零。此外，大块样品的电子比热与温度呈线
性
关系，而超微粒子电子比热与温度的关系却是CP∝Tn+1（n=0，1，2……）。由于量子尺
寸
效应，超微粒子还具有奇偶特性。例如，颗粒的磁化率、比热及催化性质就与所含电子
数
的奇偶有关。
1988年，英国②与荷兰③的两个研究小组又分别发现了另一种独特的超微粒量子效
应
，称为量子导线电导量子化现象。英国小组应用分裂门技术，在二维电子气上制作了一
条
量子导线。它的长为0.5μm，比电子的平均自由程小。电子从一端运动到另一端不受任
何
散射。实验发现，随着门电压的加大，它的电导呈量子化地加大，电导的基本量子为2e
2/
h。令人惊异的是，这个值恰与整数量子霍耳效应的基本量子相同。所不同的是，量子导
线
电导量子化发生在一维，而且没有外磁场。超微粒结构的量子化效应还表现在隧道效应
上
。早在50年代末，日本物理学家江崎玲于奈（Leo Esaki 1925～）和美国物理学家加埃
沃
（Giaever，Ivar 1929～）等人就发现，微观粒子具有贯穿垫垒的本领，这一效应反映
了
微观粒子具有波动性的基本属性，并由此，江崎玲于奈发明了隧道二极管，这一发明开
创
了研究固体中隧道效应的新阶段，并推动了半导体电子学的大发展。到了80年代末，人
们
在研究超微粒物理特性时，对于隧道效应又有了令人惊奇的发现，描述颗粒的一些宏观
量
，如磁化强度、磁通量等，也显现有隧道效应的特点。例如里德（M.A.Reed）在研究Fe
-N
i薄膜中畴壁的运动速度时发现，在低于临界温度时，畴壁速度大小基本上与温度无关。
有
人认为，这是由于量子力学零点振动引起的热起伏，使低温情况下，
超微颗粒磁化矢量的重取向保持有限的弛豫时间，因而在零度附近，仍然存在非零的磁
化
反转率。利用这一观点，还可以解释高磁各向异性单晶体在低温下，具有阶梯式反转磁
化
模式，以及一些量子干涉器件中的有关现象。
超微颗粒的新特点还表现在表面活化特性上。纳米微粒的尺寸虽小，在表面及表面
附
近的原子数与内部原子数的比值却比大块物体大得多。例如，颗粒尺寸从10nm降到1nm时
，
线度降低后，表面原子数所占比例将上升为原来的5倍。表面原子数比例的加大，极大地
增
加了颗粒的活性。金属纳米粒子会在空气中燃烧，无机材料的纳米粒子会吸附气体并进
行
反应。表面活性的增加，不仅使纳米粒子表面原子输运和构型发生变化，也会使表面电
子
的自旋构型及电子能谱发生变化。此外，这种表面效应还会使纳米微粒具有极强的光吸
收
能力。总之，超微颗粒及由超微颗粒组成的纳米固体在光学性质、导电性、机械特性、
热
学特性、磁学性质、超导电性等方面，都具有与一般大块物体不同的特点。这些奇异性
质
表明，人们所熟知的基础物理学规律，将有可能在宏观与微观的中介地带有突破性的进
展
。这一进展不仅将成为微电子学领域的理论基础，为电子技术的发展开辟新的纪元，而
且
还有人估计可能在这一突破之中，出现下一位诺贝尔奖的得主。纳米结构的研究将是一
个
十分激动人心的领域。
4．纳米科学技术进展
纳米的基础物理研究，是介观物量、量子力学与混沌物理的交叉结合。它与现代计
算
机、微电子学与扫描隧道显微技术相结合，形成了纳米科学技术群。自本世纪90年代起
，
这门全新的科学技术群，广泛地在全世界范围内兴起，它不仅包括了纳生物学、纳电子
学
、纳机械学、纳地质学、纳天文学……，而且正以惊人的速度，向着一切科学技术领域
渗
透着。纳米学科的研究，不仅在研究对象的空间尺度上具有特殊性，而且还在对传统概
念
的革新中，表现出全新的观点与思维方式。纳米电子学的发展就说明了这一点。目前的
半
导体理论，即P-N结原理把电子视为微粒，它的有效范围只到亚微米尺度。作为微电子技
术
核心
——集成电路——朝向超大规模发展的同时，微电子器件的尺寸在日益缩小。迟早会进
入
到一个新的阶段，到那时，经典电磁理论将不再适用，电子将不能再被视为微粒，在纳
米
尺度上，电子的表现即以波动性为主，纳电子学必须计入量子力学效应，这些效应表现
为
量子隧道效应、量子尺寸效应、特殊的伏安特性、特殊的磁性质等。纳电子学的任务就
是
研究纳米量子微粒的这些全新性质，在此基础上，设计、制作全新的量子电子器件与集
成
电路。人们预计，新型量子电子器件及全新集成电路的实现，将为第六代或第七代计算
机
设计、制造成功奠定基础。与此同时，超小尺寸量子电子器件也为物理基础理论的研究
提
供了微型实验室，使人们能对量子线、量子点、量子环以及量子点接触等超微结构的各
种
量子效应，如量子尺寸效应、量子隧道效应、量子相干性、量子波动性、电子反常输运
及
库仑阻塞等现象进成富有成效的研究。
※ 来源:·BBS 水木清华站 th.org·[FROM: 166.111.184.45]
——集成电路——朝向超大规模发展的同时，微电子器件的尺寸在日益缩小。迟早会进
入
到一个新的阶段，到那时，经典电磁理论将不再适用，电子将不能再被视为微粒，在纳
米
尺度上，电子的表现即以波动性为主，纳电子学必须计入量子力学效应，这些效应表现
为
量子隧道效应、量子尺寸效应、特殊的伏安特性、特殊的磁性质等。纳电子学的任务就
是
研究纳米量子微粒的这些全新性质，在此基础上，设计、制作全新的量子电子器件与集
成
电路。人们预计，新型量子电子器件及全新集成电路的实现，将为第六代或第七代计算
机
设计、制造成功奠定基础。与此同时，超小尺寸量子电子器件也为物理基础理论的研究
提
供了微型实验室，使人们能对量子线、量子点、量子环以及量子点接触等超微结构的各
种
量子效应，如量子尺寸效应、量子隧道效应、量子相干性、量子波动性、电子反常输运
及
库仑阻塞等现象进成富有成效的研究。
