诺贝尔物理学奖和化学奖科普宣传画

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1998
年度诺贝尔物理奖--宣传画内容(略图)

瑞典皇家科学院将1998年度诺贝尔物理学奖颁发给罗伯特·劳林教授、霍斯特·斯多英尔教授和崔琦教授,以表彰他们对具有分数电荷激发的量子液体的发现。

崔琦
霍斯特 斯多英尔
罗伯特 劳林

电子的新舞蹈

一百多年来,电子一直是物理学中最为可靠面稳定的基元;是物理学的基石和载体。它挫败了所有将其劈裂的企图,保持了电荷, 并几乎永远不与其它电子发生联系。本年度诺贝尔奖获得者的发现显示了在强磁场下,电子之间能产生关联。它们可以象量子液体那样活动, 并能表现得似乎他它们能形成新型的只携带分数电子电荷的粒子。


实践和理论
电子用于实际目的已有150年,然而,直到1879年它们的存在才被发现。早期模型将金属中的电子描述为一种气体。1956年俄了物理学家列夫·兰道 (Lev Lanau, 1962年诺贝尔奖得主) 解释了金属中电子几近自由活动的原因。兰道提供的模型能预言日益复杂的电器中电子的活动。整个微电子工业都基于我们对电子动力规律的认识。实践、理论、再实践,不断相互影响,科学就是这样形成的。

霍尔效应

 

 

 

 

 

穿过导体的磁场会导致在垂直于电流和磁场的方向产生电压。

侧风中的蚊子
磁场中的电子活动像侧风中的蚊子。 导体中的磁风将电子推向导体一侧。沿着风的方向、即垂直于电流的方向产生的电势。1879年年仅24岁的艾德温·霍尔 (EdwinHall)发现了这一现象(霍尔效应)。

整数量子霍尔效应

 

 

 

 

 

在绝对零度附近,强磁场下,并迫使电子在平面内运动,霍尔效应以台阶的方式变化。

跳跃的电势
1980年克劳斯·冯·克里策金 (Klaus Von Klitzing)用新的工具研究了霍尔效应。 他将电子置于原子厚度的层里。他在极强磁场中将它们冷却到几乎绝对零度。霍尔效应应由清晰的台阶显示出来。由于这个发现,克劳斯·冯·克里策金获得了1985年度的诺贝尔奖。他的发现沿未动摇兰道理论的基石。量子理论解释了台阶现象,电子的电荷尚未分裂。

分数量子霍尔效应

 

 

 

 

 

在霍斯特?斯多莫尔和崔琦的实验中,许多新的、未曾预料到的凹槽和平台在量子化的霍尔疚中出现。

迅速扩展的世界
移动电话、卫星电视、互联网以及全球化的经济和政治证明世界正在改变。对于我们这个时候的各种事件和进程而言、电子的知识起到了关键的作用。浦用集成电路很快将变得如此之小,具有不同类型准粒子的量子液可以在常用计算机中发挥威力。
荣膺本年度诺贝尔物理学奖的这个发现对我们未来的信息社会可能是至关重要的。

由二维电子层构成的集成电路已应用于移动电话系统。

跳跃里的知识
霍斯特·斯多莫和崔琦同时与冯·克里策金进行了类似的浦验。他们使作了极纯的半导体-原子挨原子垒砌而成-将它们冷却到绝对零度附近,并使用了世界上最强的磁体。1982年,他们突然看到了霍尔效应中全新的平台。按照当时的理论、这类反常现象是不可能出现的。毫不奇怪,在一开始,斯多莫尔的崔琦以及他们周围的同事持怀疑的态度。然而,这也是科学的组成部分。突然间,某人的实验结果迫使我们以新的眼光去看待世界并探索新的理论模型。

风暴中的旋涡
罗伯特·劳林为多莫尔和崔琦的发现寻求一个解释。经过一年的思考和计算,他的完成了。它就象是海洋上的风暴,磁 风 的力量以及量子液体中的电子创造了全新的现象-涡旋和波-而没有改变它们的自身。

携带分数电荷的准粒子-兰道理论基石的碎片。

在绝对零度附近的冷寂中,在磁场的铁腕里,处于原子厚度层内的电子被迫关联而形成。当磁场时,涡旋在液体中开成。电子被近在涡旋中分割他们的电荷。当它们旋动时,其疏密变化犹如粒子活动---准粒子----每一粒子均携带分数电子电荷。

屋顶的雹块
导体中的电子可以像打在屋顶的雹块那样砰砰作响,一个电子打出一声轰鸣。 因此,准粒子应该打一个完整电子的部分声响。1997年准粒子的声响得以被探知,从而直接证明了它们的存在。以色列和法国的研究人员成菌地设计了能 "听到"准粒子分数噪声的装置。