凝聚态物理学家:波的工程师,“宝石”的塑造者

我们的世界是一个量子世界。量子世界的一切存在都非常奇怪:它们既是粒子又是波,既不是粒子也不是波。我们熟识的电子也不例外,它既是粒子又是波。依据电子的波的内涵,我们可以用一个波动方程来描写电子的行为。

不同材料里的电子会有不同的行为。也就是说,不同材料里的电子,会按照不同的波动方程来运动。这就导致了不同材料会有不同的电学性质。凝聚态物理的研究,就是希望找到各种各样的材料,它们有着各种各样不同的电学性质。也就是说,通过寻找各种材料,来实现各种不同的电子波动方程。这就是我们为什么说,凝聚态物理学家是波的工程师。

一百多年前,物理学家发现了很多导电能力介于金属和绝缘体之间的材料。而其导电能力又随温度会发生很大变化。这类材料就叫做半导体。当量子力学理论建立以后,人们发现半导体中的电子满足的波动方程,是一个有质量的狄拉克方程。(其实真空中的电子的波动方程,也是个有质量的狄拉克方程。)对半导体材料的研究,也就是对这些有质量的狄拉克方程的研究,由此发明了各种各样的半导体器件。这使我们现在经历的信息时代成为可能。1956年的诺贝尔奖就是发给一种半导体器件(晶体管)的发明。

1911年,物理学家发现了超导体。超导体中的电子有完全不同的行为,满足完全不同的波动方程:马约拉纳方程。1913年,超导体获得了诺贝尔奖。到1987年,高温超导体也获得了诺贝尔奖。

 

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