凝聚態物理學是當今物理學最大也是最重要的分支學科之一。據70年代中期的調查統計，
凝聚態物理學年發表論文數居首位，占物理學論文總數的三分之一；從事凝聚態物理研究
的人數也居首位，占總人數的四分之一；而從60年代末到80年代末，獲諾貝爾物理獎的人
數中，從事凝聚態研究的人數，超過了研究粒子物理的人數，接近總人數的一半，也居首
位。凝聚態物理學得以迅猛發展，首先表現在其研究對象的開拓上。在由原來傳統的三維
周期性結構，向着低維甚至非周期結構的發展中，所涉及到的理論也逐漸地趨於深化與成
熟，從30年代的晶體結構分析的唯象理論與固體的比熱理論、金屬自由電子論和鐵磁性理
論，發展到30年代後的能態理論、電子衍射和X射線衍射的動力學理論，以及點陣動力理論
。60年代以後，在凝聚態物理學中，對稱性破缺理論又占據了中心地位。以它為基礎，建
立了能態、元激發、缺陷及臨界區域四個層次。與之相應，各種有序態的序參量、廣義剛
度、標度不變性、自相似結構等一系列新的概念隨之誕生。此外，大量非線性課題相繼出
現，使凝聚態物理不僅在深度及廣度上衝破了傳統固體物理學，而且向着更深層次與更大
的範圍蓬勃發展。

　　90年代所興起的納米物理學，又成為凝聚態物理的一個新的世界性研究熱點。納米粒
子與一般尺度物體相比，在力、熱、電磁和光等方面具有顯著不同的特性，它們不僅成為
未來新材料研究的基礎，而且也為人類在認識客觀世界上展開了一個新的層次，與此相應
興起了介觀物理學的研究。

　　當今凝聚態物理學已成為物理學最活躍的前沿領域，它不僅突破了傳統固體物理學，
使研究對象日益多樣化和複雜化，又由於許多有價值的發現出現在相互交叉的學科領域，
它又對促進交叉學科的發展，顯現出強大的活力。它的實驗手段、理論概念與技術不斷地
向着化學物理、生物、地球物理、天文、地質等領域滲透，從DNA晶體結構到地球板塊驅動
力的研究，從量子電子器件的機理到新材料的研製，無一不與凝聚態物理學有關。凝聚態
物理在物理學乃至整個自然科學中，正在顯示出日益強大的影響力。

一）高臨界溫度超導研究

1．高溫氧化超導材料的發現與超導機制的研究

　　迄今為止，已有5位物理學家由於超導電性的研究而獲得諾貝爾獎。他們是：1957年提
出BCS超導微觀理論的美國物理學家巴丁（J.Bardeen）、庫珀（L.N.Cooper）、施里弗（
J.R.Schrif-fer），於 1972年獲獎，從理論的提出到獲獎時隔 15年； 1960年發現單電子
超導隧穿效應的美國物理學家賈埃佛（J.Giaever）；1962年預言約瑟夫森效應的英國物理
學家約瑟夫森（B.D.Josephsen），他們時隔11年後，於1973年獲獎；1986年，在國際商用
機器公司（IBM）蘇黎士研究室工作的瑞士物理學家繆勒（K.A.Muller）和他的學生、德國
物理學家柏諾茲（J.G.Bednorz）發現Ba-La-Cu-O系統物質的高溫超導性，於1987年獲獎。
他們的這一工作，如此快速地得到了諾貝爾評獎者的承認，這在諾貝爾頒獎歷史中是極為
罕見的，由此看出柏諾茲和繆勒工作的重要意義。

　　伴隨着超導臨界溫度提高到液氮溫區以上，超導技術的應用發生了一場新的技術革命
。超導技術的影響，很快地波及到了電力工程、電能輸送、電動機與發電機的製造、磁流
體發電、超導磁懸浮列車、超導計算機、超導電子器件、地球物理勘探、地質學、生物磁
學、高能加速器與高能物理研究等多種領域與學科。儘管高溫超導體在實用上僅只處於開
端，但它的遠大前景已經展現出來了。1986年以來，瑞士、美國、日本、中國等國的科學
家們，相繼發現了多種高溫氧化物超導材料。這些發現，在國際上引起了巨大的反響。目
前，超導體的零電阻轉變溫度已經達到上百K。但是，這主要是實驗物理學家的探索成果，
在理論研究方面，仍還沒有給出一種圓滿的解釋。超導理論研究與超導實驗研究的飛速發
展極不相適應。從這一角度看，高溫氧化物超導材料的發現，無疑也是對超導理論研究的
巨大衝擊。BCS理論是第一個成功的微觀超導理論。它很好地解釋了大多數元素的超導性質
。這一理論的出發點是電聲子的相互作用。兩個電子由於交換虛聲子而產生引力，當這一
引力超過庫侖斥力時，電子雙雙地結成庫珀對。庫珀對的行為就像一個鬆散結合的大分子
，它們在空間延伸的範圍遠大於晶格常數。成千上萬個庫珀對相互交疊，使電子系統獲得
某種“整體剛性”，它們能克服個別散射事件造成的阻力，而產生零電阻現象。同時，
它們還能抗拒外來磁場的進入，而導致邁斯納效應。然而，新發現的氧化物超導體都有
一個共同的特點，即具有一個銅-氧層，並表現為空穴導電。BCS理論在Cu-O在高溫超導體
中，效應並不明顯，人們不得不對BCS理論的適應性提出了懷疑。1987年，安德森（P.W.A
nderson）提出了共價鍵理論①。該理論認為，氧化物超導體的母晶體，可以認為是莫脫（
Mott）型絕緣體，其中的電子由於強相互關聯作用被定域在各個格點附近。相鄰格點的電
子自旋相反而構成單重態共價鍵。通過摻雜後，局域化的共價鍵系統受到驅動，通過超交
換作用，使其退局域化而流動起來。若在流動中還能保持原有的配對關係，則可視為大量
定域共價鍵發生共振而轉變的一種超流的庫珀對集合，絕緣晶體則轉化為超導體。這種由
實空間定域配對轉變為能量空間的非局域配對機制，稱為“共振價鍵理論”。這一理論是
一種全電子理論，它與晶格振動沒有直接聯繫，它能說明新的超導體的弱同位素效應。但
是，由於用它說明具體問題時，還需引入一些輔助性假設，目前還未得到公認。

　　還有一種稱為雙極子機制的理論。該理論認為，氧化物超導體中含有正負離子交換復
式晶格。由於極化電場的存在，導致強電聲子相互作用。當電子在晶格間運動時，造成附
近晶格畸變。電子與“畸變”一起運動，可以構成複合粒子，稱為極化子。當兩個極化子
相互靠近時，聯合畸變將形成雙極化子。無數個雙極化子在空間的流動，即形成超導態。
雙極化子理論並未超出BCS理論的框架，與庫珀對比較，雙極化子理論則更接近實際情況。

　　考慮到新超導材料的空穴導電機制，另一種激子理論認為，氧化物超導體可視為在氧
化銅層兩側各有一金屬層，而形成夾層結構。當金屬層中的電子靠近氧化銅層時，電子的
波函數部分有可能隧穿入氧化層，使其中的負電荷被排斥而顯示一個帶正電的空穴。電子
與空穴的庫侖吸引，形成電子- 空穴束縛對，稱為激子。同時帶正電的空穴還能把另一側
金屬層中的一個電子拉過來，於是兩金屬層中的電子，通過氧化層的空穴兩兩配對，構成
庫珀對而實現超導態。激子機制理論可以闡明氧化物超導體的空穴導電、各向異性輸運等
特點。問題在於是否能把這種結構視為金屬層與氧化物層的交疊，該理論還有待進一步完
善。s

2．重費密子體系及其超導電性研究

　　電子比熱係數γ＞400mJ/mol·K2的物質，常被稱為重費密子系統。它比一般材料的γ
值高出1～2個數量級。因為γ值與費密能級的態密度成正比，而後者又與電子的有效質量
成正比，γ值越大意味着電子的有效質量越高，故稱為重費密子系統。1975年，安德魯斯
（K.Andres）等人發現，化合物CeAl3低溫下的電子比熱反常現象，電子比熱系統γ值達到
1620mJ/mol·K2。 1979年，德國達姆斯塔特的斯泰格利士（F.Steglich）研究小組發現了
重費密子系統CeCu2Si2的超導電性，其γ值為1100mJ/mol·K2，電子有效質量約為100me①
。1983年，第二個重費密子超導體Ube13被發現，Tc～0.9K，化合物中鈾原子間距5.13②。
1984年，美國洛斯阿拉莫斯的特瓦特（Tewart，C.R.）小組又發現了第三個重費密子超導
體Upt3③，Tc～0.5K。以後又陸續發現了重費密子超導體NpBe13、U2Zn17、Ucd11以及CeC
u6等。這一連串的發現表明，高溫氧化超導體發現之前，重費密子超導電性曾一度成為熱
門課題。然而在1986年以後，重費密子超導電性的研究一度被高溫新超導材料的浪潮所淹
沒。近年來，這一領域又陸續出現了一些十分引人關注的新現象。

　　近年來的實驗研究發現，在低溫條件下，重費密子材料與通常的導電金屬有着截然不
同的性質。首先，在室溫以下，一般金屬的電阻率隨溫度下降得很快；重費密子系統的電
阻率卻隨溫度下降而迅速上升，到50K處，有一極大值後，才隨溫度下降。其次，重費密子
材料的比熱性質也與一般金屬不同。在通常金屬中，比熱可以用Cp=γT+βT2描述。在低於
10K的低溫區，由於只考慮電子的熱貢獻，只計γT即可。此時Cp/T與 T的關係曲線具有正
斜率，即Cp隨溫度下降而降低；然而重費密子系統卻相反，在低於10K的低溫區內，Cp/T隨
溫度T的下降而明顯上升，γ也不再為常數，它強烈地依賴於溫度，這種γp/T隨溫度下降
而上升的性質稱為比熱反常。比熱反常表明，在趨於絕對零度時，重費密子體系的γ值很
大。這說明，此時的電子密度在費密面附近很大，也即處於這些狀態的電子具有非常大的
有效質量；更有趣的是，這些材料在低溫條件下的磁化率Xm也像γ值一樣高於正常的金屬
。因此有理由相信，這兩個值的增值效應可能同出於一個源。

　　重費密子系統磁化率Xm很大，這一點使人們想到，它們可能是由強重正化准粒子組成
的費密液體。1956年，前蘇聯物理學家朗道（Landau,LevDavidovich1908～1968）曾提出
了有關費密液體的理論。近年來，對於重費密子系統電子質量異常增大、它們的電子比熱
與BCS理論不符以及它們有無新的超導機制等疑問引起了物理工作者廣泛的興趣。儘管重費
密子體系的Tc不高，大約只有1K，在當前高溫超導研究中，並無實用價值，但是人們發現
，它們的Tc對雜質十分敏感，它們的超導性與磁性也有密切的關係，這些方面，均與傳統
的超導材料有明顯的差異。研究它們的機制，將使人們對超導電性的認識更深化一步。目
前，各種模型與理論陸續提出，有人認為，重費密子的超導電性根源來自3p態原子的配對
；有人則認為由於自旋相關造成強烈各向異性的1s態配對，總之各種探索性的理論仍在發
展中。

（二）微結構物理的興起

1．納米物理學的誕生

　　納米結構指尺度為納米數量級的超細微粒，它們屬於原子與一般物質的中間領域的物
質。由於它們的尺度與電子的德布羅意波長數量級相差不多，因而具有許多異常的特性。
對納米微粒及納米固體的研究，開闢了人類認識世界的新層次。早在1959年，美國著名物
理學家費因曼（Feynman，Richard Philips 1918～）在加州理工學院對美國物理學會的一
次演講時，曾卓有見地地預言：“如果有一天能按人的意志安排一個個原子和分子，將會
有什麼奇蹟？……我毫不懷疑，當在很小的尺度上控制物體的結構時，我們就能使物體具
有極端豐富多彩的性質。”

　　研究遠古隕石結構發現，它們是由原子構成的納米糰簇（cluster）在引力下凝集而成
。有人估計，這種納米結構材料始於宇宙大爆炸。從海貝殼到人體等生物系統中，也能找
到許多天然的納米結構，但是，人類有控制地製造納米結構卻非易事。60年代，東京大學
的久保亮五（R. Kubo）曾發表一篇關於量子約束理論的論文①。這篇論文中談到了超細微
粒粒子的獨特性質，但在當時並未引起人們的注意。在70年代，麻省理工學院的德雷克斯
勒提出一個用模擬細胞生物分子的分子裝置，製造超細微粒的設想，並把它命名為納米技
術。此後，他與斯坦福大學聯合成立了納米技術（NST）研究組。

　　真正對納米物理展開系統研究始於90年代初。1982年，本尼格（G. Binnig）和羅若爾
（H. Rohrer）發明了掃描隧道顯微鏡（STM），它以高分辨率向人們展現了一個可見的原
子、分子世界。到了80年代末，掃描隧道顯微鏡已經由一個助視儀器發展為費因曼所設想
的排布原子的工具。90年代初，納米物理學已經作為獨立的學科研究領域正式誕生。1990
年7月，在美國巴爾的摩召開了第一屆國際NST會議。此時，兩種專業國際刊物《Nonotech
nology》與《Nonobiology》 已經或即將出版；日本與英國等少數科技先進國家制定了發
展納米技術的國家科學規劃；美國自然科學基金會將納米技術作為優先發展項目；冠以納
米（Nano）的新名詞和新概念，如納米電子學、納米材料、納米加工和納米生物學等，正
式在各種科技書籍與文獻中出現。這一切都表明，納米物理學已經作為一門正式的獨立學
科領域，步入了物理學的殿堂，它的誕生與發展，不僅對物理學，同樣對整個自然科學與
技術產生着重大的影響①。

2．AB與AC效應研究

　　1959年，阿哈勒諾夫（Y. Aharonov）和玻姆（D. Bohm）發表一篇論文②，該論文認
為，在電子運動的空間中，無論是否存在電磁場，電子波函數的位相都會受到空間中電磁
勢的影響。由此他們做出結論，在量子理論中，電磁勢要比經典電磁理論中的電場與磁場
強度更有意義。他們同時建議了幾種能證實上述理論的實驗途徑，圖1所示就是其中的一種
。入射電子束在A點被分為兩束，磁場B處於與圖面垂直的螺線管中。兩支電子束在觀察屏
S處相遇形成干涉。在電子經過的路徑上，磁感應強度為零，但是磁矢勢A卻不為零。正是
由於磁矢勢的存在，使兩束電子產生了附加位相差，該值恰好為電子路徑包圍磁通量的e/
h倍。他們認為，改變B值，影響磁通量，將使位相差改變，電子的干涉圖樣就會受到影響
。同樣，如果在兩束電子的路徑上各加一隻金屬筒，當電子進入筒時，在兩筒上加不同的
電勢，電子出離筒後，即將電勢撤消，電子束也會因電勢的不同產生附加位相差，導致干
涉圖樣變化。發表這一理論的時候，阿哈勒諾夫正在美國南卡羅萊納大學物理與天文學系
及以色列特拉維夫大學物理系任教。阿哈勒諾夫很善於研究那些通常被人們忽視的物理現
象。他所預言的一些效應先後被實驗證實，由於具有重要意義，都在物理界引起不小的波
瀾。AB效應就是其中一個，是他與任教於倫敦大學的玻姆共同提出的。1960年，AB效應被錢伯斯（
Chambers）實驗證實①。隨後，美國、聯邦德國、意大利等幾個實驗小組也陸續進行了類
似的實驗，都支持了這一預言。儘管如此，由於電子的波長很短，限制磁場的區域很小，
螺線管半徑不但必須很小，長度還要無限長，這些條件很難得到實驗保證，因而有人對實
驗結果的可靠性表示懷疑。直到80年代中期，日本物理學家用超導材料將磁場屏蔽以後②
，所證實的AB效應才被物理界普遍接受。AB效應的證實對物理學的影響是深遠的。本世紀
初，相對論與量子論的問世，給人類對物理世界的認識帶來了嶄新的圖象與觀念，使物理
學發生了天翻地覆的變化。然而，麥克斯韋電磁理論卻仍然保持原有風貌，似乎不受其影
響。這一點卻也不難理解，因為麥克斯韋方程自身的協變性，使其天然地與相對論的要求
和諧一致。此外，這一方程又能滿足電磁波量子性的要求。然而，深究起來，在經典電磁
理論與量子理論之間，也有一點不一致，這就是所謂的AB之爭。

　　從表面看來，AB之爭所涉及的似乎只是兩個物理量的問題。在經典電磁理論中，描述
場的兩個基本量是電場強度和磁感應強度，電標勢?是在電場基礎上，利用環路積分引入的
，它具有物理意義，雖然數值不唯一，卻是可以實驗測量的。磁矢勢卻不同，雖然它也是
在磁場的基礎上引入的，卻不具有明確的物理意義，數值不唯一，也不能實驗觀測。因此
，在經典電磁理論中，常把作為描述磁場的基本量，純屬於為計算方便而引入的過渡量或
輔助量。

　　在量子電動力學中，和的地位則皆然相反。出現在方程中的電磁量是?和，而不再是與
。與相比，成為第一位的物理量。與哪一個更為本質的問題，在本世紀20年代量子理論創
建時即被提出，直到1959年才被阿哈勒諾夫及玻姆所解決。

　　AB效應表明，描述磁場的矢量與磁場相比，是更為本質的。這一點僅能通過量子效應
才能顯現出來。對固體材料AB效應的觀察是近幾年來的事。最初觀察的是線度很小的金環
。金環的直徑0.8μm，寬0.4μm，附在硅片上。沿直徑接入電極後，通過電流測量金環的
電壓。整個實驗在0.06K的超低溫下進行。垂直環面加入磁場，電子沿金環的各一半，分兩
路流出。在匯合處，兩路電子波產生干涉，由合振幅的模即可確定磁阻。實驗結果發現，
金環磁阻隨磁場周期性地變化。振盪周期與樣品面積的乘積，恰好與AB效應所要求的h/e值
相等，從而證實了固體材料中，電子波的量子干涉AB效應。AB效應的觀測，很自然地涉及
到納米物理學的進展。觀測到該效應的前提條件是電子波能現出可觀測到的相乾性。在真
空條件下，電子束的干涉比較容易觀察到，然而在固體材料中，電離雜質與晶格的振動都
能破壞材料的理想周期性，因而造成電子散射。由於電離雜質的質量比電子大得多，對電
子靜電作用的結果，離子受影響較小，電子卻偏離了原來方向的運動而發生散射。這種散
射屬於彈性散射，它雖然能使電子波的位相發生變化，卻不改變電子波的相乾性；然而，
晶格振動造成的散射，涉及聲子的發射與吸收，屬於非彈性散射，將嚴重地影響電子波的
相乾性。可見，若能在固體材料中觀察到AB效應，對材料的純度要求並不高，但對材料的線度有一
定的要求。因為電子必須在受到非彈性散射之前，也即在連續兩次非彈性散射發生之間，
穿過樣品。根據電子的平均自由程時間，可以計算出電子波相干長度L?。一般金屬在溫度
1K下，相干長度可達 μm數量級。在現代科技條件下，製造長度在μm以內、線寬在幾十
個nm以內的環狀樣品已不困難，因而這一領域的研究得以迅速發展。當材料的線度L≤L?時
，材料內將可能包含108～1011個原子，因此，無論觀測的對象、觀測的手段以及觀測的量
值（如電流或電壓等）都仍屬於宏觀範疇。然而實驗的結果卻能反映電子的波動性和體系
微觀物理的規律，這再一次表明，納米結構物理學研究的特殊意義。它開闢了用宏觀領域
的研究方法與概念探討微觀物理規律的新途徑。

　　AB效應的研究仍在繼續發展中。由於電磁場是一種最簡單的U（1）規範場，人們很自
然地會聯想到，是否能把AB效應推廣到其它規範場中。華裔美籍物理學家楊振寧和吳大峻
曾在一篇論文①中討論過楊—米爾斯SU（2）規範場的AB效應問題。而阿哈勒諾夫和卡謝又
於1984年根據電與磁的對偶性，提出了AC效應的預言。

　　AC效應的提出與證實，是納米物理學的又一重要進展。它由阿哈勒諾夫與在特拉維夫
大學的同事卡謝（A.Casher）共同提出來的，用他們兩人姓氏的第一個字母，簡稱為AC效
應。阿哈勒諾夫與卡謝認為，如果存在有磁場作用的AB效應，根據電與磁的對偶性，一定
會存在着一種AB效應的對偶效應。在電磁場的張量相對論理論中，電磁場張量Fuv應有16個
分量。由於這一張量的反對稱性，四個對角元素為零外，兩側對稱量等量反號，所余的獨
立分量即只有6個，這就是3個電場分量與3個磁場分量。根據張量理論，電場與磁場互為對
偶場，當電與磁量按一定規則互換時，對應的物理規律相互對偶。這樣，在相應的AB效應
示意圖中，把螺線管替換成一條垂直圖面的無限長帶正電線，把電子束替換成中子束。中
子不帶電，卻由於其自旋而具有磁矩，令中子束中，每個中子的磁矩與帶電線平行。AB效
應中，電子不受磁場力；AC效應中，中子不受電場力。AB效應中，由於磁矢勢的存在，引
起電子相移；AC效應中，將由於電勢?的存在，引起中子相移發生。阿哈勒諾夫與卡謝還預
言，中子相移的大小，與荷電線的帶電密度成正比，對於一般的荷電線密度，他們估算結
果，相移約為1.5mrd。1989年，他們的這一預言被墨爾本大學、密蘇里大學和紐約州立大
學組成的聯合研究組所實驗證實。實驗中使用的帶電線為45kV的細絲高壓正電極，而中子束來源
於反應堆。由於很難獲得磁偶極矩順向排列的極化中子束，他們把非極化的中子束加了補
償措施，以消除非極化的影響。先使中子束通過一個狹縫，經過單晶硅片分為兩束通過帶
電線的兩側附近，再經第二片單晶硅片折射，改變方向後相交。分別用兩台3He正比計數器
測量。為使中子數累計到理論所要求的 107個，整個實驗持續了幾個月。最後測得相移為
2.19±0.52mrd，這個結果證實了AC效應的存在①。3．超微結構的量子效應研究

　　在大塊金屬樣品中，電子的能級分布是連續的，然而當物質顆粒尺寸極小時，例如電
子數目減少到 103～ 104個時，電子能級則表現為不連續的離散分布。日本物理學家久保
亮五於1962年提出了能級離散分布的條件式，這是費密能級間距δN與顆粒中所含原子數N
的關係式，

　　對於大顆粒或一般物體，N→∞ ，δN→0；但對於納米顆粒，N雖然大卻有限，δN為
一個定值，因而能級是分離的①。當能級間距大於熱能、磁能、靜電能、光子能量或者超
導態的凝聚能時，相關的物理現象就會表現出量子效應。因此，納米顆粒的熱、電、光、
磁以及超導等宏觀特性將與大顆粒或一般尺寸的物體，有着顯著的不同，這種差異即稱為
量子尺寸效應。

　　量子尺寸效應對超微粒的物理性質有重要影響。然而，超微粒子的尺寸大小各異，粒
子的集合體可能呈離散態、鏈狀、網絡狀或聚合狀；承載粒子的載體也有千百種；載體與
粒子的界面也變化多端，上述各種因素的影響，使粒子的物理性能也多種多樣。由於量子
尺寸效應，粒子的熔點均比同樣塊狀材料低得多，其熱導也具有奇異特性。多孔狀超微粒
子集合體，在低溫或超低溫下的熱阻幾乎為零。此外，大塊樣品的電子比熱與溫度呈線性
關係，而超微粒子電子比熱與溫度的關係卻是CP∝Tn+1（n=0，1，2……）。由於量子尺寸
效應，超微粒子還具有奇偶特性。例如，顆粒的磁化率、比熱及催化性質就與所含電子數
的奇偶有關。

　　1988年，英國②與荷蘭③的兩個研究小組又分別發現了另一種獨特的超微粒量子效應
，稱為量子導線電導量子化現象。英國小組應用分裂門技術，在二維電子氣上製作了一條
量子導線。它的長為0.5μm，比電子的平均自由程小。電子從一端運動到另一端不受任何
散射。實驗發現，隨着門電壓的加大，它的電導呈量子化地加大，電導的基本量子為2e2/
h。令人驚異的是，這個值恰與整數量子霍耳效應的基本量子相同。所不同的是，量子導線
電導量子化發生在一維，而且沒有外磁場。超微粒結構的量子化效應還表現在隧道效應上
。早在50年代末，日本物理學家江崎玲於奈（Leo Esaki 1925～）和美國物理學家加埃沃
（Giaever，Ivar 1929～）等人就發現，微觀粒子具有貫穿墊壘的本領，這一效應反映了
微觀粒子具有波動性的基本屬性，並由此，江崎玲於奈發明了隧道二極管，這一發明開創
了研究固體中隧道效應的新階段，並推動了半導體電子學的大發展。到了80年代末，人們
在研究超微粒物理特性時，對於隧道效應又有了令人驚奇的發現，描述顆粒的一些宏觀量
，如磁化強度、磁通量等，也顯現有隧道效應的特點。例如里德（M.A.Reed）在研究Fe-N
i薄膜中疇壁的運動速度時發現，在低於臨界溫度時，疇壁速度大小基本上與溫度無關。有
人認為，這是由於量子力學零點振動引起的熱起伏，使低溫情況下，
超微顆粒磁化矢量的重取向保持有限的弛豫時間，因而在零度附近，仍然存在非零的磁化

反轉率。利用這一觀點，還可以解釋高磁各向異性單晶體在低溫下，具有階梯式反轉磁化
模式，以及一些量子干涉器件中的有關現象。

　　超微顆粒的新特點還表現在表面活化特性上。納米微粒的尺寸雖小，在表面及表面附
近的原子數與內部原子數的比值卻比大塊物體大得多。例如，顆粒尺寸從10nm降到1nm時，
線度降低後，表面原子數所占比例將上升為原來的5倍。表面原子數比例的加大，極大地增
加了顆粒的活性。金屬納米粒子會在空氣中燃燒，無機材料的納米粒子會吸附氣體並進行
反應。表面活性的增加，不僅使納米粒子表面原子輸運和構型發生變化，也會使表面電子
的自旋構型及電子能譜發生變化。此外，這種表面效應還會使納米微粒具有極強的光吸收
能力。總之，超微顆粒及由超微顆粒組成的納米固體在光學性質、導電性、機械特性、熱
學特性、磁學性質、超導電性等方面，都具有與一般大塊物體不同的特點。這些奇異性質
表明，人們所熟知的基礎物理學規律，將有可能在宏觀與微觀的中介地帶有突破性的進展
。這一進展不僅將成為微電子學領域的理論基礎，為電子技術的發展開闢新的紀元，而且
還有人估計可能在這一突破之中，出現下一位諾貝爾獎的得主。納米結構的研究將是一個
十分激動人心的領域。

4．納米科學技術進展

　　納米的基礎物理研究，是介觀物量、量子力學與混沌物理的交叉結合。它與現代計算
機、微電子學與掃描隧道顯微技術相結合，形成了納米科學技術群。自本世紀90年代起，
這門全新的科學技術群，廣泛地在全世界範圍內興起，它不僅包括了納生物學、納電子學
、納機械學、納地質學、納天文學……，而且正以驚人的速度，向着一切科學技術領域滲
透着。納米學科的研究，不僅在研究對象的空間尺度上具有特殊性，而且還在對傳統概念
的革新中，表現出全新的觀點與思維方式。納米電子學的發展就說明了這一點。目前的半
導體理論，即P-N結原理把電子視為微粒，它的有效範圍只到亞微米尺度。作為微電子技術
核心
——集成電路——朝向超大規模發展的同時，微電子器件的尺寸在日益縮小。遲早會進入
到一個新的階段，到那時，經典電磁理論將不再適用，電子將不能再被視為微粒，在納米
尺度上，電子的表現即以波動性為主，納電子學必須計入量子力學效應，這些效應表現為
量子隧道效應、量子尺寸效應、特殊的伏安特性、特殊的磁性質等。納電子學的任務就是
研究納米量子微粒的這些全新性質，在此基礎上，設計、製作全新的量子電子器件與集成
電路。人們預計，新型量子電子器件及全新集成電路的實現，將為第六代或第七代計算機
設計、製造成功奠定基礎。與此同時，超小尺寸量子電子器件也為物理基礎理論的研究提
供了微型實驗室，使人們能對量子線、量子點、量子環以及量子點接觸等超微結構的各種
量子效應，如量子尺寸效應、量子隧道效應、量子相乾性、量子波動性、電子反常輸運及
庫侖阻塞等現象進成富有成效的研究。