超導(dǎo)(1911年)

?？恕た妨帧の虄?nèi)斯(1853～1926年)

當(dāng)阿蒙森和斯科特在尋找地球的冷極時(shí)，物理學(xué)家在研究另一種更為復(fù)雜的冷極——絕對(duì)零度。絕對(duì)零度是達(dá)不到的，我們只能越來越接近它。

這一冷的領(lǐng)域引起人們的好奇心。海克·卡梅林·翁內(nèi)斯首先發(fā)現(xiàn)其中的一個(gè)。1908年，這位-荷蘭物理學(xué)家首次將氦冷卻到絕對(duì)溫度4K，或者是降到攝氏溫度269℃，得到液化氦。在阿蒙森到達(dá)南極的1911年5月，卡梅林·翁內(nèi)斯注意到一件非常奇怪的事情。他安排兩位同事在荷蘭拉頓實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行冷金屬實(shí)驗(yàn)，記錄電流通過時(shí)的電阻。當(dāng)一組汞的溫度達(dá)到絕對(duì)零上4.2K時(shí)，電阻突然變?yōu)榱恪?/p>

這太讓人不可思議了。如果電阻為零，電流可以永遠(yuǎn)在線圈上流動(dòng)。這意味著什么?卡梅林·翁內(nèi)斯猜想金屬的這種超導(dǎo)狀態(tài)可能與新量子理論有關(guān)。直到1957年才得出完整的解釋。約翰·巴迪、雷奧·庫珀和羅伯特·施里弗闡述了電子如何通過一系列量子機(jī)制結(jié)合在一起從而避開它周圍的金屬。

超導(dǎo)可以為我們節(jié)省大量的能量，可以使火車或汽車飄浮在空中，使計(jì)算機(jī)或電子馬達(dá)在室內(nèi)溫度下運(yùn)行速度越來越快，體積越來越小。1986年，喬格·貝德諾爾茨和阿萊克斯·米勒發(fā)現(xiàn)了－238℃時(shí)的超導(dǎo)陶器材料。從此以后，人們又發(fā)現(xiàn)陶器材料可以在－100℃正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但是無人能解釋清楚如此高溫的超導(dǎo)材料的運(yùn)作方式。

晶體管(1947年)

威廉·布拉德福德·肖克萊(1910～1989年)

瓦特·豪澤·布喇頓(1902～1987年)

約翰·巴丁(1908～1991年)

早期的無線電晶體作為“整流器”，使交流電得以單向流過。但晶體整流器性能不穩(wěn)定，很快就被熱離子管取代，后者可以整流，還可以加強(qiáng)電流。但熱離子管也有缺陷：使用壽命短，電量不足，體積過大。

20世紀(jì)30年代，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴丁探究了半導(dǎo)體的特性——半導(dǎo)體是一種晶體狀的固態(tài)物，導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間，其表面效應(yīng)可引起電流整流。為了確保貝爾電話公司對(duì)通訊市場(chǎng)的壟斷地位，巴丁、威廉·肖克萊以及瓦特·布喇頓合作，尋找一種可以替代無線電管的半導(dǎo)體。1947年12月23日，他們發(fā)現(xiàn)了一種含有雜質(zhì)的鍺晶體不僅整流效果遠(yuǎn)勝于以往的晶體和無線電管，而且可以用作電流放大器。因?yàn)樗ㄟ^電阻體對(duì)電流進(jìn)行變壓，所以被稱為“晶體管”。

最早的晶體管是點(diǎn)接觸式的，有電流“噪音”，而且只能控制低電量輸入，因而很快就落伍于面接觸式的晶體管，后者由非常薄的含雜質(zhì)的硅片組成，這些硅片可以賦予不同的區(qū)域不同的電性。一般來講，“管座”區(qū)具有過剩正電截流子，它被夾在“發(fā)射”區(qū)和“接收”區(qū)之間，后兩者具有充足的負(fù)電截流子。當(dāng)?shù)碗妷毫鞅惠數(shù)健肮茏眳^(qū)時(shí)，過剩截流子在接收面接收到電流，然后電流從半導(dǎo)體的一側(cè)流向另一側(cè)。與舊的電子管不同，晶體管所需電量極小，而且在分子層次運(yùn)行時(shí)，電量可以很容易地降到最低點(diǎn)。

今天，數(shù)以百萬計(jì)的微型晶體管電路都是蝕刻在比指甲還小的硅片上，為小到助聽器，大到超級(jí)計(jì)算機(jī)的各種設(shè)備提供動(dòng)力支持。

準(zhǔn)晶體(1984年)

丹·謝克特曼(1941～)

在20世紀(jì)80年代之前，最古老的物理化學(xué)原理之一就是所有固體都可以分為晶體或非晶體。與瓷磚地板不同，晶體是由被稱作“晶格”的極其規(guī)則的重復(fù)圖案構(gòu)成的。地板的最小重復(fù)單位是單獨(dú)的一塊瓷磚，而晶體點(diǎn)陣最小的周期結(jié)構(gòu)是所謂的原子或分子的“單位晶格”。對(duì)照而言，構(gòu)成非晶體的原子和分子是非結(jié)晶的，根本沒有長距離排列。

但1984年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局在蓋瑟斯堡的一個(gè)小組在以色列結(jié)晶學(xué)專家丹·謝克特曼的帶領(lǐng)下，獲得了令人震驚的發(fā)現(xiàn)：有一種材料既不是非晶體，也不是晶體。他們發(fā)現(xiàn)通過迅速冷卻鋁和錳合金，能夠生成一種底部結(jié)構(gòu)達(dá)五層對(duì)稱的固體。為什么這一發(fā)現(xiàn)會(huì)令人吃驚?人們最熟知的這種對(duì)稱形狀是五邊形。設(shè)想用這種形狀的瓷磚鋪成地板會(huì)是什么樣子。你無論如何安排都無法使它完全覆蓋整個(gè)地板表面。同樣，五層對(duì)稱與相同單位品格的周期排列完全矛盾。令人驚訝的是，謝克特曼與其合作者發(fā)現(xiàn)的似是而非的材料顯然具有長距離排列。因此他們將其命名為“準(zhǔn)晶體”。很快人們又報(bào)道了其他許多這種結(jié)構(gòu)。

準(zhǔn)晶體合金比晶體材料堅(jiān)硬，電阻也更大。人們已經(jīng)用準(zhǔn)晶體合金制作烹飪用具、手術(shù)用具和電動(dòng)剃須刀。然而科學(xué)家們最近才開始探究如此復(fù)雜排列的組合。1997年，物理學(xué)家保羅·斯坦哈特與鄭永柴開發(fā)出數(shù)學(xué)模型解釋準(zhǔn)晶體如何能形成于一種單一構(gòu)件塊。這可能反過來會(huì)讓研究者們?cè)O(shè)計(jì)并生產(chǎn)出具有更非凡特性的新型準(zhǔn)晶體。

巴克敏斯特富勒體(1985年)

哈里·克羅托(1939～)

理查德·斯莫利(1943～)

羅伯特·科爾(1933～)

在鉆石的晶體點(diǎn)陣中，碳原子呈四角的四面體排列，而石墨中的碳原子是六邊形的環(huán)狀物，大片的平面邊緣連在一起。1985年，英國化學(xué)家哈里·克羅托與理查德·斯莫利、羅伯特·科爾發(fā)現(xiàn)，他們可以組成一個(gè)小平面的假球形籠子。

克羅托專心研究碳分子的線性鏈，認(rèn)為它可能是片刻的分子云形成的。斯莫利擅長制作小原子群，方法是使用激光束將固體目標(biāo)氣化，并從冷卻的氣體中濃縮原子群。研究者們共同發(fā)現(xiàn)，以這種方式形成的大簇碳群都具有偶數(shù)原子，而且通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件，他們可以創(chuàng)造幾乎獨(dú)自包含整整60個(gè)原子的碳群——“C60”。C60異常穩(wěn)定的關(guān)鍵是關(guān)閉碳原子的籠子，由五到六個(gè)原子環(huán)狀物構(gòu)成，就像用五邊形和六邊形皮革制成的足球一樣，被稱為“巴克敏斯特富勒體”。

結(jié)果證明，“巴克形球體”具有一些潛在的使用特性。比如，當(dāng)“加入”金屬原子時(shí)，它會(huì)變成超導(dǎo)體。1991年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)相關(guān)的中空結(jié)構(gòu)，稱作碳“毫微管”——一個(gè)圓柱形管子，樣子像卷起來的一頁石墨紙，只有幾毫微米寬，幾微米長。碳毫微管極其結(jié)實(shí)堅(jiān)硬，可以用做超小型電子線路中的分子電線，也可用于制作發(fā)光顯示器的電子發(fā)射天線，應(yīng)用范圍非常廣泛。