物理差点挂科，打台球拿诺奖了解一下？

导语：

伊瓦尔·贾埃弗（Ivar Giæver），挪威籍美国物理学家，于1929年出生在挪威，早年曾在挪威军队中担任过一年的工程师，在挪威政府中担任过一年的专利审查员。他于1954年移民至加拿大，并加入了加拿大通用电气公司的高级工程项目。1956年，他移民至美国，在通用电气公司担任应用数学家，并于1958年进入研发中心。1965年，贾埃弗获得了美国物理学会颁发的奥利弗－巴克尔奖。1973年，他与江崎玲于奈和约瑟夫森一起获得了诺贝尔物理学奖。

本文译自贾埃弗获得诺贝尔物理学奖后的演讲，讲述了他从本科时代的“台球大师”成长为实验物理学家并斩获诺奖的人生经历。

作者：Ivar Giæver

翻译：Mowdinger

审校：Wanen

在我的实验记录本中，日期为1960年5月2日的条目是：“4月22日星期五，我进行了以下实验，旨在测量超导体中的禁带能隙。”这显然是一条非同寻常的记录，不仅是因为我几乎不怎么写实验记录，而且因为正是这个实验的成功，我今天才能非常荣幸地在此向各位致辞。对于我来说，这个实验有一些偶然或幸运，在本次讲座中，我将尽可能地回忆与其相关的一些事件和想法，尽管讲清楚这件事并不容易。对各位来说，我希望这个主观的回忆比严谨的讲座更有趣一些，尤其是在现在已经有许多关于超导隧穿的优秀综述文章的情况下。

最近奥斯陆报纸的一个标题大致如下：“台球和桥牌界的大师，在物理上几乎不及格，却获得了诺贝尔奖！” 这篇论文提到了我在特隆赫姆的学生时代。我不得不承认报道是相当准确的，因此我不会尝试“掩盖”，而是承认我的数学也差点儿不及格。在那段时间里，我对机械工程的课不是很感兴趣，但我确实在1952年以一个中等水平毕业。由于挪威住房短缺的问题，我和妻子最终决定移民加拿大，并且我很快就在加拿大通用电气公司找到了一份工作。公司为我提供了一个为期三年的工程与应用数学入门课程。我意识到这次要来真的了，因为这很可能是我最后的机会，所以我真的努力学习了几年。

28岁时，我来到了纽约的斯克内克塔迪。在那里我发现对于某些人来说，作为物理学家过上好日子也是有可能的。那段时间我参与了应用数学方面的各种公司任务，并且慢慢有了一种感觉，即数学要比我们实际应用的物理系统的相关知识先进许多。因此，我想或许我应该学习一些物理学，而且在通用电气的实验室里，即便是工程师也有机会尝试这件事。

我的任务是研究薄膜（thin films），而对我来说“films”意味着摄影。不过我很幸运地能够与约翰·费舍尔（John Fisher）一起工作，显然他比我更加有想法。费舍尔最初也是一名机械工程师，但最近他把注意力转向了理论物理学。他认为可以使用薄膜技术制造实用的电子器件。不久之后，我开始研究用薄绝缘层隔开的金属薄膜，尝试进行隧穿实验。我可以确定费舍尔当时是了解江崎玲于奈（Leo Esaki）的隧穿实验的，而我却不了解。对于只在特洛伊的伦斯勒理工学院费力地学过一些量子力学的我来说，粒子可以穿过障碍物的概念似乎有些奇怪。如果你把一个网球扔到墙上足够多次，它最终会在不损坏墙壁或自身的情况下穿过去，这肯定和获得诺贝尔奖难度相当！当然，诀窍是使用非常小的球，以及很多球。因此，如果我们可以将两种金属放的很近而不短路，则金属中的电子可以被认为是球，并且这里的“墙壁”便是金属之间的间隔。这些概念如图1所示。虽然经典力学正确地预测了大型物体（如网球）的行为，但为了预测电子等小物体的行为，我们必须借助量子力学。我们的物理洞察力与对大型物体的日常经验有关，因此不应过于惊讶电子有时会表现得让人意想不到。

图1 A. 如果一个人把球扔到墙上，球会弹回来。物理定律允许球穿透或穿墙而过，但由于球是宏观物体，这种可能性微乎其微。B. 由真空隔开的两种金属类似于上述情况。金属中的电子是“球”，真空代表墙。C. 这两种金属的图示能量图。电子没有足够的能量逃到真空中。然而，这两种金属可以通过隧穿来交换电子。如果金属之间的距离很近，隧穿的可能性就很大，因为电子是一个微观粒子。

由于费舍尔和我都没有太多的实验物理背景，我们一开始便犯了很多错误。为了能够测量隧穿电流，两种金属的间距不得超过约100Å。考虑到振动的影响，我们最开始便决定不能把两层金属之间的空气或真空当作绝缘层，毕竟我们都接受过机械工程的培训！我们尝试使用由朗缪尔薄膜和聚醋酸甲基乙烯脂制成的各种薄绝缘层来保持两种金属分离。 但这些薄膜总是有针孔，而我们使用的汞辅助电极会使造成短路。因此，我们花了很多时间来测量非常有趣但不可重复的伏安特性曲线——我们称之为奇迹，因为每个曲线只会出现一次。几个月后，我们终于想到了正确的方法，即使用蒸镀的金属薄膜，并通过自然生长的氧化层将它们分开。

图2 用于沉积金属薄膜的真空系统示意图。如果在钽坩埚上利用电阻加热铝，铝将先熔化，再沸腾并蒸发。然后铝蒸气会在蒸气流中的冷衬底上凝固。最常见的衬底是普通的显微镜载玻片。利用金属掩模板的屏蔽作用，可以在载玻片上形成图案。

为了实现我们的想法，我们需要一台镀膜机，因此我购买了我的第一件实验设备。在等待它到达时我非常担心，我担心我会陷入与这台昂贵的机器相关的实验物理中，而我当时的计划是在学到足够多知识后转去做理论。预感是正确的，我确实陷在了镀膜机上，但不是因为它很昂贵，而是因为它让我很着迷。图2 展示了镀膜机的示意图。为了制作隧穿结，我们首先将一条铝带蒸发到了载玻片上，然后将它从真空中取出并加热以快速氧化表面。随后我们在第一条薄膜上又镀了几个交叉的铝带，并同时形成几个连接点。样品制备步骤如图3所示。这个方法解决了两个问题，首先在氧化物中没有针孔了，因为它是自修复的，其次我们摆脱了汞辅助电极引起的机械问题。

图3 A. 一个显微镜玻片，玻片中间有一层气相沉积的铝带。一旦铝膜暴露在空气中，表面就会形成一种保护性的氧化物绝缘层。氧化物的厚度取决于时间、温度和湿度等因素。B. 当氧化层形成后，在第一层膜上蒸镀一条与之交叉的铝带，使氧化层夹在两层金属膜之间。电流将沿着一层铝膜向上穿过氧化层，然后通过另一层铝膜流出，与此同时我们测量氧化层上的压降。C. 电路示意图。图中测量的是由两个铝薄膜和氧化层形成的电容式装置的伏安特性。当氧化层厚度小于50Å时，有明显的直流电流通过氧化层。

到1959年4月左右，我们已经进行了几次成功的隧穿实验。样品的伏安特性是相当可重复的，并且与理论符合的很好。典型结果如图4所示。我们进行了几项检查，例如改变结的面积和氧化层厚度以及改变温度。所有的一切看起来都很好，我们实验室甚至还开了一场研讨会。到这个时候，我已经解了足够多次的薛定谔方程来说服自己电子有时表现得像波一样，我不再担心这一点了。

图4 五种厚度相同，但是面积不等的隧穿结的伏安特性曲线。电流与结的面积成正比。这是我们实现隧穿而非短路的第一个线索。在早期的实验中，我们用的氧化层相对较厚，因此在低电压下只有很小的电流能够通过。

然而实验室里有许多真正的物理学家，他们对我的实验提出了合理的质疑。我怎么确保这是隧穿效应而不是金属短路、离子电流或者半导体？当然，我不知道，尽管理论和实验一致，但对于正确性的怀疑始终在我的脑海中。我花了很多时间想了一些不可能实现的方案，如隧道三极管或冷阴极，这些想法都是为了证实我对隧穿效应的解释。当时的我认为做自己认为有趣的事并因此获得报酬是很奇怪的，我的良心困扰着我。但就像量子力学一样，只要习惯就好。而现在我经常为相反的观点辩解：我们应该支持更多的人做纯粹的科研。

图5 A. 由势垒隔开的两种金属的能带图。由于两种金属间存在电势差，它们的费米能级是不同的。左侧金属中只有能量高于右侧金属最高能级的电子才能隧穿到右侧，因为只有这些电子所处的能级在右侧是空态。泡利原理使得在每个量子态中只能存在一个电子。B. 右侧金属现在处于超导态，因此在其能带中有一个超导能隙，能隙中不存在单电子的能态。左侧的电子仍然可以穿过势垒，但是如果外加电压给他们提供的能量小于超导能隙的一半的话，在右侧超导体中没有与其能量相符的态，因此他们将无法继续进入右侧。当外加电压给隧穿电子提供的能量大于超导能隙的一半时，才会出现电流。C. 伏安特性曲线示意图。当两种金属都处于正常态时，电流与电压成正比。当一种金属处于超导状态时，电流电压特性会发生很大变化。伏安特性曲线的确切形状取决于超导体中的电子能带。

我继续尝试我的想法，而约翰·费舍尔则带着他特有的乐观和热情去研究基本粒子问题了。此外，我得到了查尔斯·比恩（CharlesBean）和沃尔特·哈里森（Walter Harrison）越来越多的建议和指导。只要给这两位物理学家一块粉笔和一块黑板，他们就能不可思议地将事情理清。与此同时，我继续在RPI学习正式课程，有一天在亨廷顿（Huntington）教授的固体物理课程中，我们学到了超导性。嗯，我不相信电阻精确地下降到零，但真正引起我注意的是超导体中的能隙，这是新BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)理论的核心。如果理论是合理的，并且如果我的隧穿实验也是合理的，结合两者应该会发生一些非常有趣的事情，如图5所示。当我回到通用电气的实验室时，我尝试告诉我的朋友们这个简单的想法，而我记得他们看起来并不觉得这件事有那么好。能隙确实是一个多体效应，无法简单地按照我那种方式解释，但即使有相当多的怀疑，大家也都鼓励我继续尝试。然后我意识到在自己能理解的电子伏单位制下，我不知道能隙的大小是多少。但这是一个很容易解决的问题，只要使用我常用的方法即可：先去问问比恩和哈里森。当他们都说是几个毫电子伏时，我很高兴，因为它在一个容易测量的电压范围内。

图6 一种用于低温实验的标准装置。它由两个杜瓦组成，外层的装有液氮，内部装有液氦。氦在大气压下的沸点是4.2K。通过对液氦减压，温度能够降低到1K左右。样品通过测量线路简单地悬挂在液氦中。

我从未做过需要低温和液氦的实验，这似乎是件复杂的事情。然而，通用电气这样的大型实验室的巨大优势是，在几乎任何领域都有学识渊博的人在你身边，并且更棒的是他们很乐意助你一臂之力。就我而言，我所要做的就是走到大厅的尽头，Warren DeSorbo正在那里进行与超导体相关的实验。我已经记不清我花了多长时间来安装借来的液氦杜瓦，但可能不超过一两天。不熟悉低温工作的人会认为整个低温领域都非常深奥，但真正要做的事情其实就是获得液氦，这在实验室很容易做到，实验装置如图6所示。然后我使用自己熟悉的铝-氧化铝制作样品，但我在最上面加了一个铅带。铅和铝都是超导体，铅在7.2K超导，因此要让铅超导你只需要使用沸点为4.2K的液氦。而铝在低于1.2K时才能超导，为了达到这个温度，我们需要一个更加复杂的实验装置。

图7 铝-氧化铝-铅样品的伏安特性曲线。当铅进入超导态后，电流不再正比于电压。在4.2K与1.6K之间存在较大的变化是因为超导能隙是随温度变化的。当外加电压提供的电势能小于能隙的一半时仍然有一些电流存在是因为导体中电子的热激发。

我尝试的前两个实验都失败了，因为我加的氧化层太厚了，以至于电流不够大，无法通过我使用的仪器进行可靠的测量，而这些仪器只是标准电压表和标准电流表。每当我回想起这一点时都会感到很奇怪，因为仅仅13年之后的现在，实验室已经到处都是复杂的x-y记录仪。当然，当时我们有很多示波器，但我并不是很熟悉如何使用它们。在第三次尝试中，我没有故意氧化第一条铝带，而是仅将其暴露在空气中几分钟，然后再放回镀膜器中沉积铅的交叉条带。这样氧化物厚度就不会超过30Å，我就可以用现有设备轻松地测量伏安特性。对我来说，实验中最伟大的时刻总是出现在我了解特定的想法是好还是坏之前，因此即使是失败也令人兴奋。当然，我的大多数想法都是错误的。但这次它奏效了！当电极从正常状态变为超导状态时，伏安特性曲线发生了显着变化，如图7所示。这相当令人兴奋！我立即用不同的样品重复了这个实验——一切看起来都很好！但如何最终确定这个结论呢？众所周知，超导性会被磁场破坏，但我使用的简易杜瓦装置是不可能做这个实验的。这次我不得不穿过整个大厅到伊斯雷尔·雅可比（Israel Jacobs）研究低温磁学的实验室。我再次很幸运地能够直接使用一台实验设备，它可以同时控制温度与磁场。利用这台设备我可以快速完成所有的实验，基本结果如图8所示，所有结果都符合得很好。我记得当时整个小组都非常兴奋，尤其是比恩，他热情地在我们实验室里传播着这个消息，并耐心地向我解释实验的重要性。

图8 在1.6K时，不同外加磁场下的伏安特性曲线。在2400高斯时，铅薄膜处于正常态，在0高斯时铅薄膜处于超导态。在800高斯和0高斯之间的变化是由于超导能隙随外加磁场变化。

图9 咖啡时间的非正式讨论。左起:Ivar Giaever, Walter Harrison, Charles Bean, and John Fisher

当然，我不是第一个测量超导能隙的人，我很快就发现了M.Tinkham和他的学生利用红外透射完成的漂亮实验。我仍然记得当时我很担心自己测量的能隙大小与以往的测量结果不一致。但是比恩直截了当地告诉我，从那时起，其他人将不得不认可我的结果; 我的实验将成为标准，我感到很高兴，并且第一次有自己是一名物理学家的感觉。

图10 在温度大于0 K时，两种具有不同能隙的超导体之间的隧穿。(A). 两个导体之间不施加电压。(B). 加电压时，会有越来越多的热激发电子从能隙较小的超导体流向能隙较大的超导体。在图中所示的电压下，所有的激发电子都能在右侧找到空态。(C). 随着电压的进一步升高，不再有更多电子发挥作用，由于可以接受隧穿电子的态数目减少，电流将随电压的升高而减小。当电压足够高时，左侧超导体能隙下方的电子对应到右边的空态，电流会迅速增加。(D). 预期的伏安特性示意图。

那是我人生中最激动人心的一段时间；我们有一些很好的想法来改进实验并将其扩展到各种材料，如普通金属，磁性材料和半导体。我记得当时我们在咖啡时间进行了很多关于接下来要尝试什么的非正式讨论，其中一个被记录在一张1960年拍摄的照片中，如图9所示。说实话，照片是摆拍的，我们的穿着一般不那么正式，而且我自己是几乎不会负责在黑板上推演的！我们的大多数想法都不是很有效，而哈里森很快就发表了一个理论来证明生活终究是复杂难懂的。但是超导实验很有吸引力并且总是有效果。看起来隧穿概率是正比于超导态密度的。现在，如果认为这是严格正确的，那便不难意识到两个超导体之间的隧穿应该体现负电阻特性，正如图10所示。负阻特性当然意味着放大器，振荡器和其他器件。但是我周围没有通过液氦减压制冷来使铝超导的设备。这次我不得不离开我们这栋楼，重新启用旁边楼里的一台老旧的低温装置。果然，一旦铝超导，就会出现负电阻，实际上，隧穿概率与态密度成正比的观点在实验上是正确的。图11展示了一个典型的实验特征。

图11 在两个不同超导体之间的隧穿实验中得到的负电阻特性。

事情进展的非常顺利，因为利用这种效应我们可以制造各种电子设备，但当然，它们只能在低温下工作。我们应该还记得1960年时半导体器件并没有那么先进，我们认为超导结有很大的希望与它们（例如江崎二极管）竞争。 我面临的基本问题是走哪条路，工程还是科学？ 我决定要先做科学，并且得到了我的上司罗兰·施密特（Roland Schmitt）的全力支持。

现在回想起来，我意识到对于施密特来说，让我们去研究这个全新的领域是多么有诱惑力，尤其是在我们身边有那么多经验丰富的物理学家的情况下。与此相反的是，施密特在适当的时候介绍了一位同事给我，卡尔·麦格尔(Karl Megerle)，他以培训研究员的身份加入了我们的实验室。我和麦格尔合作得很好，不久我们就发表了一篇论文，讨论了很多基本的效应。

图12 铅结在低温下的归一化微分电导。简单的BCS理论可以预测，随着能量的增加，微分电导应渐近于一个单位。但相反的是，在4倍超导能隙到8倍超导能隙之间我们可以观察到几个摆动。这些摆动与铅中的声子谱有关。

对于物理学来说，把实验扩展到更高的能量、更强的磁场，或者对于我们的情况来说，扩展到更低的温度，一直都是很重要的。因此，我们与霍华德·哈特（Howard Hart）合作，他刚刚建成了一台氦3制冷机，能够将温度降到0.3K。同时，麦格尔做好了一个锁相放大器，我们可以用它直接测量微分电导。那是一台相当漂亮的仪器，磁铁在其中以每秒8圈的速度绕拾波线圈旋转，当然它是远远比不上现代的锁相放大器的。我们早就知道铅的伏安特性曲线存在异常，现在我们终于能够通过在微分电导曲线上测到的额外摆动来确定这件事。如图12所示。这个结果让我们很高兴，因为我们目前所做的一切隧穿实验都是为了证实BCS理论，而这并不是一个实验物理学家真正想做的事情。我们的梦想是证明一个著名的理论是不正确的，现在我们终于在这个理论上戳了一个洞。我们当时推测，这些摆动与声子有关，而声子被认为是超导体中电子-电子吸引相互作用的来源。但一如既往的是，理论物理学家们扭转了局面。他们聪明地利用这些摆动来适当地扩展理论，并证明BCS理论确实是正确的。巴丁教授在他最近的诺贝尔演讲中详细地讲述了这个结果。

到目前为止，我主要讲的是通用电气当时的研究情况。有时候我很难意识到斯克内克塔迪并不是世界的中心，其他几个小组也开始了对隧穿的研究，这里只简单介绍几位：J.M.罗威尔（J.M.Rowel）和W.L.迈克米兰（W.L.McMillan）阐明了超导体中的声子结构；当然了，托马斯切（W.J.Tomasch）坚持要找到自己的发现；在我们做实验的同时，夏皮罗（S.Shapiro）和他的同事也在进行两个超导体之间的隧穿实验；而巴丁(J.Bardeen)和后来的M.H.科恩(M.H.Cohen)等人则负责了大部分的理论研究。

图13 束缚磁场对隧穿特性的影响。曲线1为初态曲线，曲线3中有中等大小的磁场，曲线2中磁场已被去掉。在曲线l中有一个很小的无耗散电流，我们认为这是由于金属短路造成的。但现在回想起来，这其实是由于约瑟夫森效应！

与此同时，我完成了自己在RPI的课程，并决定和亨廷顿教授一起做一个关于有序-无序合金的理论课题，因为我们已经基本理解了超导中的隧穿效应。后来有人提醒我布莱恩·约瑟夫森（Brian Josephson）在《物理学快报》上发表了一篇短文—我当时是怎么想的呢? 嗯，我没看懂。但是不久之后我有机会在剑桥见到了约瑟夫森本人并对他的工作留下了深刻的印象。约瑟夫森预测的其中一个效应是，当两侧的金属都处于超导态时，有可能会有零压降的超流通过氧化物势垒。现在这个现象被称为直流约瑟夫森效应。我们已经有很多次测量到这种行为了，事实上，当测量“锡-氧化锡-锡”结或“铅-氧化铅-铅”结时，很难看不到这种电流。早期的隧穿结通常使用氧化铝，而氧化铝一般是比较厚的，因此热涨落抑制了直流电流。在麦格尔和我的第一篇论文中有这样一条曲线，如图13所示，展示的就是这样的一个超流，而且它强烈依赖于磁场。然而，当时我对这个现象有一个现成的解释，那就是金属电极的短路。那时候我就很困惑，因为按理说这样一个小的接触不该有如此的磁场敏感度，不过并没有人知道一个20Å长，20Å宽的接触会有什么现象。如果说作为一个科学家我学到了哪些东西的话，那就是当一个简单的解释就可以解决问题时，不应该把事情复杂化。因此，所有我们制作的观测到了约瑟夫森效应的样品都被当作短路的样品而废弃了。但显然这次我想的太简单了！后来我被问过很多次，是否为错过了这个效应而感到难过？答案当然是不，因为仅仅观测到一些现象并不能够称作在实验上有所发现，我们还必须认识到现象背后的物理意义，而在这个例子中我甚至都没有接近这一点。即便在我真正地了解了直流约瑟夫森效应之后，我仍然觉得它与短路是无法区分的，因此我曾错误地认为只有观测到交流约瑟夫森效应才能证实或者证伪约瑟夫森的理论。

总之，我希望这个相当私人的叙述能对科学探索的本质提供一些浅显的见解。我自己的信念是，通往科学发现的道路往往不那么直接，它并不一定需要高超的专业知识。事实上，我相信一个领域的新人往往有很大的优势，因为他是无知的，不知道不该去尝试某个特定实验背后的复杂原因。然而，当你需要一些建议的时候，能够从不同领域的专家那里得到帮助是很重要的。对我来说，最重要的是，我在正确的时间出现在了正确的地点，而且我在通用电气内外都有许多无私地支持我的朋友。