凝聚態(tài)物理的起源

1、凝聚態(tài)物理的起源凝聚態(tài)物理學(xué)是現(xiàn)今物理學(xué)最大也是最重要的分支學(xué)科之一。據(jù) 70年代中期的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，凝 聚態(tài)物理學(xué)年發(fā)表論文數(shù)居首位，占物理學(xué)論文總數(shù)的三分之一；從事凝聚態(tài)物理研究的人數(shù)也居 首位，占總?cè)藬?shù)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(shù)中，從事凝聚態(tài) 研究的人數(shù)，超過了研究粒子物理的人數(shù)，接近總?cè)藬?shù)的一半，也居首位。凝聚態(tài)物理學(xué)得以迅猛 進(jìn)展，第一表此刻其研究對象的開拓上。在由原先傳統(tǒng)的三維周期性結(jié)構(gòu)，向著低維乃至非周期結(jié) 構(gòu)的進(jìn)展中，所涉及到的理論也慢慢地趨于深化與成熟，從30 年代的晶體結(jié)構(gòu)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，進(jìn)展到3

2、0年代后的能態(tài)理論、電子衍射和X射 線衍射的動力學(xué)理論，和點(diǎn)陣動力理論。60 年代以后，在凝聚態(tài)物理學(xué)中，對稱性破缺理論又占 據(jù)了中心地位。以它為基礎(chǔ)，成立了能態(tài)、元激發(fā)、缺點(diǎn)及臨界區(qū)域四個(gè)層次。與之相應(yīng)，各類有 序態(tài)的序參量、廣義剛度、標(biāo)度不變性、自相似結(jié)構(gòu)等一系列新的概念隨之誕生。另外，大量非線 性課題接踵顯現(xiàn)，使凝聚態(tài)物理不僅在深度及廣度上沖破了傳統(tǒng)固體物理學(xué)，而且向著更深層次與 更大的范圍蓬勃進(jìn)展。90 年代所興起的納米物理學(xué)，又成為凝聚態(tài)物理的一個(gè)新的世界性研究熱點(diǎn)。納米粒 子與一樣尺度物體相較，在力、熱、電磁和光等方面具有顯著不同的特性，它們不僅成為以后新材 料研究的基礎(chǔ)，而且也為

3、人類在熟悉客觀世界上展開了一個(gè)新的層次，與此相應(yīng)興起了介觀物理學(xué) 的研究?，F(xiàn)今凝聚態(tài)物理學(xué)已成為物理學(xué)最活躍的前沿領(lǐng)域，它不僅沖破了傳統(tǒng)固體物理學(xué)，使 研究對象日趨多樣化和復(fù)雜化，又由于許多有價(jià)值的發(fā)覺出此刻彼此交叉的學(xué)科領(lǐng)域，它又對增進(jìn) 交叉學(xué)科的進(jìn)展，顯現(xiàn)出壯大的活力。它的實(shí)驗(yàn)手腕、理論概念與技術(shù)不斷地向著化學(xué)物理、生物、 地球物理、天文、地質(zhì)等領(lǐng)域滲透，從 DNA 晶體結(jié)構(gòu)到地球板塊驅(qū)動力的研究，從量子電子器件 的機(jī)理到新材料的研制，無一不與凝聚態(tài)物理學(xué)有關(guān)。凝聚態(tài)物理在物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)中， 正在顯示出日趨壯大的阻礙力。學(xué)科研究范圍：研究凝聚態(tài)物質(zhì)的原子之間的結(jié)構(gòu)、電子態(tài)結(jié)構(gòu)和 相

4、關(guān)的各類物理性質(zhì)。 研究領(lǐng)域包括固體物理、晶體物理、金屬物理、半導(dǎo)體物理、電介質(zhì)物理、 磁學(xué)、固體光學(xué)性質(zhì)、低溫物理與超導(dǎo)電性、高壓物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低維物 理（包括薄膜物理、表面與界面物理和高分子物理）、液體物理、微結(jié)構(gòu)物理（包括介觀物理:）與原 子簇）、缺點(diǎn)與相變物理、納米材料和準(zhǔn)晶等。（一）高臨界溫度超導(dǎo)研究1高溫氧化超導(dǎo)材料的發(fā)覺與超導(dǎo)機(jī)制的研究迄今為止，已有5位物理學(xué)家由于超導(dǎo)電性的研究而取得諾貝爾獎。他們是：1957年 提出BCS超導(dǎo)微觀理論的美國物理學(xué)家巴?。ǎ扃辏ǎ?、施里弗（.Schriffer）,于1972年獲獎， 從理論的提出到獲獎時(shí)隔15 年；196

5、0 年發(fā)覺單電子超導(dǎo)隧穿效應(yīng)的美國物理學(xué)家賈埃佛（）； 1962年預(yù)言約瑟夫森效應(yīng)的英國物理學(xué)家約瑟夫森（），他們時(shí)隔11年后，于1973年獲獎；1986 年，在國際商用機(jī)械公司（IBM）蘇黎士研究室工作的瑞士物理學(xué)家繆勒（）和他的學(xué)生、德國物 理學(xué)家柏諾茲（）發(fā)覺Ba-La-Cu-0系統(tǒng)物質(zhì)的高溫超導(dǎo)性，于1987年獲獎。他們的這一工作， 如此快速地取得了諾貝爾評獎?wù)叩某姓J(rèn)，這在諾貝爾頒獎歷史中是極為罕有的，由此看出柏諾茲和 繆勒工作的重要意義。伴隨著超導(dǎo)臨界溫度提高到液氮溫區(qū)以上，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)生了一場新的技術(shù)革命。 超導(dǎo)技術(shù)的阻礙，專門快地涉及到了電力工程、電能輸送、電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的制

6、造、磁流體發(fā)電、 超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)運(yùn)算機(jī)、超導(dǎo)電子器件、地球物理勘探、地質(zhì)學(xué)、生物磁學(xué)、高能加速器與 高能物理研究等多種領(lǐng)域與學(xué)科。盡管高溫超導(dǎo)體在有效上僅只處于開端，但它的遠(yuǎn)大前景已經(jīng)展 現(xiàn)出來了。 1986 年以來，瑞士、美國、 *、中國等國的科學(xué)家們，接踵發(fā)覺了多種高溫氧化物超 導(dǎo)材料。這些發(fā)覺，在國際上引發(fā)了龐大的反應(yīng)。目前，超導(dǎo)體的零電阻轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)達(dá)到上百K。 可是，這主若是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的探討功效，在理論研究方面，仍尚未給出一種圓滿的說明。超導(dǎo)理 論研究與超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究的飛速進(jìn)展極不相適應(yīng)。從這一角度看，高溫氧化物超導(dǎo)材料的發(fā)覺，無疑 也是對超導(dǎo)理論研究的龐大沖擊。BCS理論是第

7、一個(gè)成功的微觀超導(dǎo)理論。它專門好地說明了大 多數(shù)元素的超導(dǎo)性質(zhì)。這一理論的起點(diǎn)是電聲子的彼此作用。兩個(gè)電子由于互換虛聲子而產(chǎn)生引力， 當(dāng)這一引力超過庫侖斥力時(shí)，電子雙雙地結(jié)成庫珀對。庫珀對的行為就像一個(gè)松散結(jié)合的大分子， 它們在空間延伸的范圍遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)。成千上萬個(gè)庫珀對彼此交疊，使電子系統(tǒng)取得某種“整體剛 性”，它們能克服個(gè)別散射事件造成的阻力，而產(chǎn)生零電阻現(xiàn)象。同時(shí)，它們還能抗拒外來磁場的進(jìn) 入，而致使邁斯納效應(yīng)。但是，新發(fā)覺的氧化物超導(dǎo)體都有一個(gè)一起的特點(diǎn)，即具有一個(gè)銅-氧層， 并表現(xiàn)為空穴導(dǎo)電。BCS理論在Cu-O在高溫超導(dǎo)體中，效應(yīng)并非明顯，人們不能不對BCS理論 的適應(yīng)性提出了疑

8、心。1987年，安德森（）提出了共價(jià)鍵理論。該理論以為，氧化物超導(dǎo)體的 母晶體，能夠以為是莫脫（Mott）型絕緣體，其中的電子由于強(qiáng)彼此關(guān)聯(lián)作用被定域在各個(gè)格點(diǎn)周 圍。相鄰格點(diǎn)的電子自旋相反而組成單重態(tài)共價(jià)鍵。通過攙雜后，局域化的共價(jià)鍵系統(tǒng)受到驅(qū)動， 通過超互換作用，使其退局域化而流動起來。假設(shè)在流動中還能維持原有的配對關(guān)系，那么可視為 大量定域共價(jià)鍵發(fā)生共振而轉(zhuǎn)變的一種超流的庫珀對集合，絕緣晶體那么轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)體。這種由實(shí) 空間定域配對轉(zhuǎn)變成能量空間的非局域配對機(jī)制，稱為“共振價(jià)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(lián)系，它能說明新的超導(dǎo)體的弱同位素效應(yīng)?？墒牵捎谟盟f明

9、具體 問題時(shí)，還需引入一些輔助性假設(shè)，目前還未取得公認(rèn)?？紤]到新超導(dǎo)材料的空穴導(dǎo)電機(jī)制，另一種激子理論以為，氧化物超導(dǎo)體可視為在氧化 銅層雙側(cè)各有一金屬層，而形成夾層結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬層中的電子靠近氧化銅層時(shí)，電子的波函數(shù)部份 有可能隧穿入氧化層，使其中的負(fù)電荷被排斥而顯示一個(gè)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(shí)帶正電的空穴還能把另一側(cè)金屬層中的一個(gè)電子拉過來， 于是兩金屬層中的電子，通過氧化層的空穴兩兩配對，組成庫珀對而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。激子機(jī)制理論能 夠說明氧化物超導(dǎo)體的空穴導(dǎo)電、各向異性輸運(yùn)等特點(diǎn)。問題在于是不是能把這種結(jié)構(gòu)視為金屬層 與氧化物層的交疊，該理論

10、還有待進(jìn)一步完善。2重費(fèi)密子體系及其超導(dǎo)電性研究電子比熱系數(shù)Y400mJ/molK2的物質(zhì)，常被稱為重費(fèi)密子系統(tǒng)。它比一樣材料的Y 值高出12個(gè)數(shù)量級。因?yàn)閥值與費(fèi)密能級的態(tài)密度成正比，而后者又與電子的有效質(zhì)量成正比， Y值越大意味著電子的有效質(zhì)量越高，故稱為重費(fèi)密子系統(tǒng)。1975年，安德魯斯（）等人發(fā)覺，化 合物CeAI3低溫下的電子比熱反?，F(xiàn)象，電子比熱系統(tǒng)Y值達(dá)到1620mJ/molK2。1979年，德 國達(dá)姆斯塔特的斯泰格利士（）研究小組發(fā)覺了重費(fèi)密子系統(tǒng)CeCu2Si2的超導(dǎo)電性，其y值為 1100mJ/molK2，電子有效質(zhì)量約為100me。1983年，第二個(gè)重費(fèi)密子超導(dǎo)體Ube1

11、3被發(fā)覺， Tc，化合物中鈾原子間距。1984年，美國洛斯阿拉莫斯的特瓦特（Tewart,.）小組又發(fā)覺了 第三個(gè)重費(fèi)密子超導(dǎo)體Upt3,Tc。以后又陸續(xù)發(fā)覺了重費(fèi)密子超導(dǎo)體NpBe13、U2Zn 17、Ucd11 和 CeCu6 等。這連續(xù)串的發(fā)覺說明，高溫氧化超導(dǎo)體發(fā)覺之前，重費(fèi)密子超導(dǎo)電性曾一度成為熱 點(diǎn)課題。但是在1986年以后，重費(fèi)密子超導(dǎo)電性的研究一度被高溫新超導(dǎo)材料的浪潮所淹沒。最 近幾年來，這一領(lǐng)域又陸續(xù)顯現(xiàn)了一些十分引人關(guān)注的新現(xiàn)象。最近幾年來的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)覺，在低溫條件下，重費(fèi)密子材料與通常的導(dǎo)電金屬有著截然 不同的性質(zhì)。第一，在室溫以下，一樣金屬的電阻率隨溫度下降得專門快；

12、重費(fèi)密子系統(tǒng)的電阻率 卻隨溫度下降而迅速上升，到50K處，有一極大值后，才隨溫度下降。第二，重費(fèi)密子材料的比熱 性質(zhì)也與一樣金屬不同。在通常金屬中，比熱能夠用Cp=YT+BT2描述。在低于10K的低溫區(qū)，由 于只考慮電子的熱奉獻(xiàn)，只計(jì)YT即可?，F(xiàn)在Cp/T與T的關(guān)系曲線具有正斜率，即Cp隨溫度下 降而降低；但是重費(fèi)密子系統(tǒng)卻相反，在低于10K的低溫區(qū)內(nèi)，Cp/T隨溫度T的下降而明顯上升， Y也再也不為常數(shù)，它強(qiáng)烈地依托于溫度，這種YP/T隨溫度下降而上升的性質(zhì)稱為比熱反常。比熱 反常說明，在趨于絕對零度時(shí)，重費(fèi)密子體系的Y值專門大。這說明，現(xiàn)在的電子密度在費(fèi)密面周 圍專門大，也即處于這些狀態(tài)的

13、電子具有超級大的有效質(zhì)量；更有趣的是，這些材料在低溫條件下 的磁化率Xm也像y值一樣高于正常的金屬。因此有理由相信，這兩個(gè)值的增值效應(yīng)可能同出于一 個(gè)源。重費(fèi)密子系統(tǒng)磁化率Xm專門大，這一點(diǎn)令人們想到，它們可能是由強(qiáng)重正化準(zhǔn)粒子組 成的費(fèi)密液體。1956年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道(Landau, LevDavidovich19081968)曾提出了有 關(guān)費(fèi)密液體的理論。最近幾年來，關(guān)于重費(fèi)密子系統(tǒng)電子質(zhì)量異樣增大、它們的電子比熱與 BCS 理論不符和它們有無新的超導(dǎo)機(jī)制等疑問引發(fā)了物理工作者普遍的愛好。盡管重費(fèi)密子體系的 Tc 不高，大約只有1K,在當(dāng)前高溫超導(dǎo)研究中，并無有效價(jià)值，可是人們發(fā)覺，

14、它們的Tc對雜質(zhì)十 分靈敏，它們的超導(dǎo)性與磁性也有緊密的關(guān)系，這些方面，均與傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料有明顯的不同。研 究它們的機(jī)制，將令人們對超導(dǎo)電性的熟悉更深化一步。目前，各類模型與理論陸續(xù)提出，有人以 為，重費(fèi)密子的超導(dǎo)電性本源來自3p態(tài)原子的配對；有人那么以為由于自旋相關(guān)造成強(qiáng)烈各向異 性的 1s 態(tài)配對，總之各類探討性的理論仍在進(jìn)展中。微結(jié)構(gòu)物理的興起1 納米物理學(xué)的誕生納米結(jié)構(gòu)指尺度為納米數(shù)量級的超細(xì)微粒，它們屬于原子與一樣物質(zhì)的中間領(lǐng)域的物 質(zhì)。由于它們的尺度與電子的德布羅意波長數(shù)量級相差不多，因此具有許多異樣的特性。對納米微 粒及納米固體的研究，開辟了人類熟悉世界的新層次。早在 1959

15、年，美國聞名物理學(xué)家費(fèi)因曼 (Feynman， Richard Philips 1918)在加州理工學(xué)院對美國物理學(xué)會的一次演講時(shí)，曾卓有見地 地預(yù)言：“若是有一天能按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子和分子，將會有什么奇跡？我毫不疑心，當(dāng) 在很小的尺度上操縱物體的結(jié)構(gòu)時(shí)，咱們就能夠使物體具有極端豐碩多彩的性質(zhì)。 ”真正對納米物理展開系統(tǒng)研究始于90年代初。1982年，本尼格(G. Binnig)和羅假設(shè) 爾(H. Rohrer)發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM)，它以高分辨率向人們展現(xiàn)了一個(gè)可見的原子、分 子世界。到了 80 年代末，掃描隧道顯微鏡已經(jīng)由一個(gè)助視儀器進(jìn)展為費(fèi)因曼所假想的排布原子的 工具。 9

16、0年代初，納米物理學(xué)已經(jīng)作為獨(dú)立的學(xué)科研究領(lǐng)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。現(xiàn)在，兩種專業(yè)國際刊物No no tech no logy與No nobiology 已經(jīng)或即將出版； *與英國等少數(shù)科技先進(jìn)國家制定了進(jìn)展納米技術(shù)的國家科學(xué)計(jì)劃；美國自然科 學(xué)基金會將納米技術(shù)作為優(yōu)先進(jìn)展項(xiàng)目冠以納米(Na no)的新名詞和新概念，如納米電子學(xué)、 納米材料、納米加工和納米生物學(xué)等，正式在各類科技書籍與文獻(xiàn)中顯現(xiàn)。這一切都說明，納米物 理學(xué)已經(jīng)作為一門正式的獨(dú)立學(xué)科領(lǐng)域，步入了物理學(xué)的殿堂，它的誕生與進(jìn)展，不僅對物理學(xué)， 一樣對整個(gè)自然科學(xué)與技術(shù)產(chǎn)生著重大的阻礙

17、。2AB 與 AC 效應(yīng)研究1959年，阿哈勒諾夫(Y Aharonov)和玻姆(D. Bohm )發(fā)表一篇論文，該論文以為，在電子運(yùn)動的空間中，不管是不是存在電磁場，電子波函數(shù)的位相都會受到空間中電磁勢的阻礙。由此他們做出結(jié)論，在量子理論中，電磁勢要比經(jīng)典電磁理論中的電場與磁場強(qiáng)度更成心義。他們同時(shí)建議了幾種能證明上述理論的實(shí)驗(yàn)途徑，圖1所示確實(shí)是其中的一種。入射電子束在A點(diǎn) 被分為兩束，磁場B處于與圖面垂直的螺線管中。兩支電子束在觀看屏S處相遇形成干與。在電子 通過的途徑上，磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，可是磁矢勢A卻不為零。正是由于磁矢勢的存在，使兩束電子產(chǎn) 生了附加位相差，該值恰好為電子途徑包圍磁通

18、量的e/h倍。他們以為，改變B值，阻礙磁通量， 將使位相差改變，電子的干與圖樣就會受到阻礙。一樣，若是在兩束電子的途徑上各加一只金屬筒， 當(dāng)電子進(jìn)入筒時(shí)，在兩筒上加不同的電勢，電子出離筒后，即將電勢撤消，電子束也會因電勢的不 同產(chǎn)生附加位相差，致使干與圖樣轉(zhuǎn)變。發(fā)表這一理論的時(shí)候，阿哈勒諾夫正在美國南卡羅萊納大 學(xué)物理與天文學(xué)系及以色列特拉維夫大學(xué)物理系任教。阿哈勒諾夫很擅長研究那些通常被人們輕忽 的物理現(xiàn)象。他所預(yù)言的一些效應(yīng)前后被實(shí)驗(yàn)證明，由于具有重要意義，都在物理界引發(fā)不小的波 瀾。AB效應(yīng)確實(shí)是其中一個(gè)，是他與任教于倫敦大學(xué)的玻姆一起提出的。I960年，AB效應(yīng)被錢 伯斯（Chambe

19、rs）實(shí)驗(yàn)證明。隨后，美國、聯(lián)邦德國、意大利等幾個(gè)實(shí)驗(yàn)小組也陸續(xù)進(jìn)行了類 似的實(shí)驗(yàn)，都支持了這一預(yù)言。盡管如此，由于電子的波長很短，限制磁場的區(qū)域很小，螺線管半 徑不但必需很小，長度還要無窮長，這些條件很寶貴到實(shí)驗(yàn)保證，因此有人對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的靠得住性 表示疑心。直到80年代中期，*物理學(xué)家用超導(dǎo)材料將磁場屏蔽以后，所證明的AB效應(yīng)才被 物理界普遍同意。 AB 效應(yīng)的證明對物理學(xué)的阻礙是深遠(yuǎn)的。本世紀(jì)初，相對論與量子論的問世， 給人類對物理世界的熟悉帶來了嶄新的圖象與觀念，使物理學(xué)發(fā)生了翻天覆地的轉(zhuǎn)變。但是，麥克 斯韋電磁理論卻仍然維持原有風(fēng)貌，似乎不受其阻礙。這一點(diǎn)卻也不難明白得，因?yàn)辂溈怂鬼f方

20、程 自身的協(xié)變性，使其天然地與相對論的要求和諧一致。另外，這一方程又能知足電磁波量子性的要 求。但是，深究起來，在經(jīng)典電磁理論與量子理論之間，也有一點(diǎn)不一致，這確實(shí)是所謂的AB之 爭。在量子電動力學(xué)中，A和B的地位那么皆然相反。出此刻方程中的電磁量是0和A，而 再也不是E與B。A與B相較，A成為第一名的物理量。A與B哪個(gè)更為本質(zhì)的問題，在本世紀(jì) 20年代量子理論創(chuàng)建時(shí)即被提出，直到1 959年才被阿哈勒諾夫及玻姆所解決。AB 效應(yīng)說明，描述磁場的矢量與磁場相較，是更為本質(zhì)的。這一點(diǎn)僅能通過量子效應(yīng) 才能顯現(xiàn)出來。對固體材料 AB 效應(yīng)的觀看是近幾年來的事。最初觀看的是線度很小的金環(huán)。金環(huán) 的直

21、徑pm,寬pm,附在硅片上。沿直徑接入電極后，通過電流測量金環(huán)的電壓。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在的超 低溫下進(jìn)行。垂直環(huán)面加入磁場，電子沿金環(huán)的各一半，分兩路流出。在匯合處，兩路電子波產(chǎn)生 干與，由合振幅的模即可確信磁阻。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)覺，金環(huán)磁阻隨磁場周期性地轉(zhuǎn)變。振蕩周期與樣 品面積的乘積，恰好與AB效應(yīng)所要求的h/e值相等，從而證明了固體材料中，電子波的量子干與 AB效應(yīng)。AB效應(yīng)的觀測，很自然地涉及到納米物理學(xué)的進(jìn)展。觀測到該效應(yīng)的前提條件是電子波 能現(xiàn)出可觀測到的相干性。在真空條件下，電子束的干與比較容易觀看到，但是在固體材料中，電 離雜質(zhì)與晶格的振動都能破壞材料的理想周期性，因此造成電子散射。由于電離

22、雜質(zhì)的質(zhì)量比電子 大得多，對電子靜電作用的結(jié)果，離子受阻礙較小，電子卻偏離了原先方向的運(yùn)動而發(fā)生散射。這 種散射屬于彈性散射，它盡管能使電子波的位相發(fā)生轉(zhuǎn)變，卻不改變電子波的相干性；但是，晶格 振動造成的散射，涉及聲子的發(fā)射與吸收，屬于非彈性散射，將嚴(yán)峻地阻礙電子波的相干性。可見， 假設(shè)能在固體材料中觀看到 AB 效應(yīng)，對材料的純度要求并非高，但對材料的線度有必然的要求。 因?yàn)殡娮颖匦柙谑艿椒菑椥陨⑸渲?，也即在持續(xù)兩次非彈性散射發(fā)生之間，穿過樣品。依照電子 的平均自由程時(shí)刻，能夠計(jì)算出電子波相干長度入。一樣金屬在溫度1K下，相干長度可達(dá)pm數(shù) 量級。在現(xiàn)代科技條件下，制造長度在pm之內(nèi)、線寬

23、在幾十個(gè)nm之內(nèi)的環(huán)狀樣品已不困難，因 此這一領(lǐng)域的研究得以迅速進(jìn)展。當(dāng)材料的線度LA時(shí)，材料內(nèi)將可能包括1081011個(gè)原子， 因此，不管觀測的對象、觀測的手腕和觀測的量值（如電流或電壓等）都仍屬于宏觀范圍。但是實(shí) 驗(yàn)的結(jié)果卻能反映電子的波動性和體系微觀物理的規(guī)律，這再一次說明，納米結(jié)構(gòu)物理學(xué)研究的特 殊意義。它開辟了用宏觀領(lǐng)域的研究方式與概念探討微觀物理規(guī)律的新途徑。AC效應(yīng)的提出與證明，是納米物理學(xué)的又一重要進(jìn)展。它由阿哈勒諾夫與在特拉維夫大 學(xué)的同事卡謝（）一起提出來的，用他們兩人姓氏的第一個(gè)字母，簡稱為AC效應(yīng)。阿哈勒諾夫與 卡謝以為，若是存在有磁場作用的AB效應(yīng)，依照電與磁的對偶性

24、，必然會存在著一種AB效應(yīng)的 對偶效應(yīng)。在電磁場的張量相對論理論中，電磁場張量Fuv應(yīng)有16個(gè)分量。由于這一張量的反對 稱性，四個(gè)對角元素為零外，雙側(cè)對稱量等量反號，所余的獨(dú)立分量即只有6個(gè)，這確實(shí)是 3個(gè) 電場分量與3個(gè)磁場分量。依照張量理論，電場與磁場互為對偶場，當(dāng)電與磁量按必然規(guī)那么互換 時(shí)，對應(yīng)的物理規(guī)律彼此對偶。如此，在相應(yīng)的AB效應(yīng)示用意中，把螺線管替換成一條垂直圖面 的無窮長帶正電線，把電子束替換成中子束。中子不帶電，卻由于其自旋而具有磁矩，令中子束中， 每一個(gè)中子的磁矩與帶電線平行。AB效應(yīng)中，電子不受磁場力；AC效應(yīng)中，中子不受電場力。 AB效應(yīng)中，由于磁矢勢的存在，引發(fā)電子

25、相移；AC效應(yīng)中，將由于電勢0的存在，引發(fā)中子相 移發(fā)生。阿哈勒諾夫與卡謝還預(yù)言，中子相移的大小，與荷電線的帶電密度成正比，關(guān)于一樣的荷 電線密度，他們估算結(jié)果，相移約為。 1989 年，他們的這一預(yù)言被墨爾本大學(xué)、密蘇里大學(xué)和紐 約州立大學(xué)組成的聯(lián)合研究組所實(shí)驗(yàn)證明。實(shí)驗(yàn)中利用的帶電線為45kV的細(xì)絲高壓正電極，而中 子束來源于反映堆。由于很難取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(bǔ) 償方法，以排除非極化的阻礙。先使中子束通過一個(gè)狹縫，通過單晶硅片分為兩束通過帶電線的雙 側(cè)周圍，再經(jīng)第二片單晶硅片折射，改變方向后相交。別離用兩臺3He正比計(jì)數(shù)器測量。為使中子 數(shù)累計(jì)到理論

26、所要求的 107 個(gè)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)了幾個(gè)月。最后測得相移為，那個(gè)結(jié)果證明了 AC 效應(yīng)的存在。3超微結(jié)構(gòu)的量子效應(yīng)研究在大塊金屬樣品中，電子的能級散布是持續(xù)的，但是當(dāng)物質(zhì)顆粒尺寸極小時(shí)，例如電子 數(shù)量減少到103104個(gè)時(shí)，電子能級那么表現(xiàn)為不持續(xù)的離散散布。*物理學(xué)家久保亮五于 1962年提出了能級離散散布的條件式，這是費(fèi)密能級間距6N與顆粒中所含原子數(shù)N的關(guān)系式， 關(guān)于大顆?；蛞粯游矬w，N-8，BNtO；但關(guān)于納米顆粒，N盡管大卻有限，6N為一個(gè)定值，因 此能級是分離的。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，相關(guān)的 物理現(xiàn)象就會表現(xiàn)出量子效應(yīng)。因此，納米顆粒的熱、電

27、、光、磁和超導(dǎo)等宏觀特性將與大顆粒或 一樣尺寸的物體，有著顯著的不同，這種不同即稱為量子尺寸效應(yīng)。 科研中國。量子尺寸效應(yīng)付超微粒的物理性質(zhì)有重要阻礙。但是，超微粒子的尺寸大小各異，粒子 的集合體可能呈離散態(tài)、鏈狀、網(wǎng)絡(luò)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 也轉(zhuǎn)變無窮，上述各類因素的阻礙，使粒子的物理性能也多種多樣。由于量子尺寸效應(yīng)，粒子的熔 點(diǎn)均比一樣塊狀材料低得多，其熱導(dǎo)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。另外，大塊樣品的電子比熱與溫度呈線性關(guān)系，而超微粒子電子比熱與溫度的關(guān) 系卻是CP*Tn+1 (n=0，1, 2)。由于量子尺寸效應(yīng)

28、，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(zhì)就與所含電子數(shù)的奇偶有關(guān)。1988年，英國與荷蘭的兩個(gè)研究小組又別離發(fā)覺了另一種獨(dú)特的超微粒量子效應(yīng)， 稱為量子導(dǎo)線電導(dǎo)量子化現(xiàn)象。英國小組應(yīng)用割裂門技術(shù)，在二維電子氣上制作了一條量子導(dǎo)線。 它的長為pm,比電子的平均自由程小。電子從一端運(yùn)動到另一端不受任何散射。實(shí)驗(yàn)發(fā)覺，隨著 門電壓的加大，它的電導(dǎo)呈量子化地加大，電導(dǎo)的大體量子為2e“2/h。令人驚異的是，那個(gè)值恰與 整數(shù)量子霍耳效應(yīng)的大體量子相同。所不同的是，量子導(dǎo)線電導(dǎo)量子化發(fā)生在一維，而且沒有外磁 場。超微粒結(jié)構(gòu)的量子化效應(yīng)還表此刻隧道效應(yīng)上。早在50年代末，*物理學(xué)家江崎

29、玲于奈(Leo Esaki 1925)和美國物理學(xué)家加埃沃(Giaever, Ivar 1929)等人就發(fā)覺，微觀粒子具有貫穿 墊壘的本領(lǐng)，這一效應(yīng)反映了微觀粒子具有波動性的大體屬性，并由此，江崎玲于奈發(fā)明了隧道二 極管，這一發(fā)明開辟了研究固體中隧道效應(yīng)的新時(shí)期，并推動了半導(dǎo)體電子學(xué)的大進(jìn)展。到了 80 年代末，人們在研究超微粒物理特性時(shí)，關(guān)于隧道效應(yīng)又有了令人驚奇的發(fā)覺，描述顆粒的一些宏 觀量，如磁化強(qiáng)度、磁通量等，也顯現(xiàn)有隧道效應(yīng)的特點(diǎn)。例如里德()在研究Fe-Ni薄膜中疇壁 的運(yùn)動速度時(shí)發(fā)覺，在低于臨界溫度時(shí)，疇壁速度大小大體上與溫度無關(guān)。有人以為，這是由于量 子力學(xué)零點(diǎn)振動引發(fā)的熱起伏

30、，使低溫情形下，超微顆粒磁化矢量的重取向維持有限的弛豫時(shí)刻， 因此在零度周圍，仍然存在非零的磁化反轉(zhuǎn)率。利用這一觀點(diǎn)，還能夠說明高磁各向異性單晶體在 低溫下，具有階梯式反轉(zhuǎn)磁化模式，和一些量子干與器件中的有關(guān)現(xiàn)象。4納米科學(xué)技術(shù)進(jìn)展納米的基礎(chǔ)物理研究，是介觀物量、量子力學(xué)與混沌物理的交叉結(jié)合。它與現(xiàn)代運(yùn)算機(jī)、 微電子學(xué)與掃描隧道顯微技術(shù)相結(jié)合，形成了納米科學(xué)技術(shù)群。自本世紀(jì) 90 年代起，這門全新的 科學(xué)技術(shù)群，普遍地在全世界范圍內(nèi)興起，它不僅包括了納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、 納米地質(zhì)學(xué)、納米天文學(xué)，而且正以驚人的速度，向著一切科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域滲透著。納米學(xué)科的 研究，不僅在研究對象的空

31、間尺度上具有特殊性，而且還在對傳統(tǒng)概念的革新中，表現(xiàn)出全新的觀 點(diǎn)與思維方式。納米電子學(xué)的進(jìn)展就說明了這一點(diǎn)。目前的半導(dǎo)體理論，即P-N結(jié)原理把電子視為 微粒，它的有效范圍只到亞微米尺度。作為微電子技術(shù)核心集成電路 朝向超大規(guī)模進(jìn)展 的同時(shí)，微電子器件的尺寸在日趨縮小。早晚會進(jìn)入到一個(gè)新的時(shí)期，到那時(shí)，經(jīng)典電磁理論將再 也不適用，電子將不能再被視為微粒，在納米尺度上，電子的表現(xiàn)即以波動性為主，納電子學(xué)必需 計(jì)入量子力學(xué)效應(yīng)，這些效應(yīng)表現(xiàn)為量子隧道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、特殊的伏安特性、特殊的磁性 質(zhì)等。納電子學(xué)的任務(wù)確實(shí)是研究納米量子微粒的這些全新性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、制作全新的 量子電子器件與

32、集成電路。人們估量，新型量子電子器件及全新集成電路的實(shí)現(xiàn)，將為第六代或第 七代運(yùn)算機(jī)設(shè)計(jì)、制造成功奠定基礎(chǔ)。與此同時(shí)，超小尺寸量子電子器件也為物理基礎(chǔ)理論的研究 提供了微型實(shí)驗(yàn)室，令人們能對量子線、量子點(diǎn)、量子環(huán)和量子點(diǎn)接觸等超微結(jié)構(gòu)的各類量子效應(yīng)， 如量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)、量子相干性、量子波動性、電子反常輸運(yùn)及庫侖阻塞等現(xiàn)象進(jìn)成 富有成效的研究。液晶物理學(xué)進(jìn)展1液晶的早期發(fā)現(xiàn)與研究液晶的發(fā)覺通常追溯到1888年，奧地利植物學(xué)家賴尼澤爾(Reinitzer,F.)的實(shí)驗(yàn)工作。 他把膽甾醇苯酸酶加熱到。C時(shí)，發(fā)覺晶體融成一片混濁的液體，繼續(xù)加熱到。C時(shí)，混濁的液體又變 得清澈透明。把液體冷

33、卻，液體又從紫、橙到綠各色轉(zhuǎn)變。開始時(shí)，他以為這種物質(zhì)具有兩個(gè)熔點(diǎn)， 并疑心是由某種不純因素造成的。在同年，他把這一現(xiàn)象告知德國卡斯魯爾大學(xué)物理學(xué)家勒曼 (Lehmann,0.)。勒曼是晶體光學(xué)研究的開創(chuàng)人，并第一次把偏光顯微鏡用于晶體研究。在偏光顯 微鏡下，勒曼發(fā)覺，這種奇異的液體具有與晶體類似的雙折射性質(zhì)。他第一次把這種狀態(tài)的液體命 名為液晶。液晶的發(fā)覺本應(yīng)成為諾貝爾獲獎的項(xiàng)目，未能實(shí)現(xiàn)的緣故之一是確信第一發(fā)明人比較困 難。勒曼曾被數(shù)次提名參加諾貝爾獎候選，由于賴尼澤爾與之爭奪液晶發(fā)明權(quán)而未能成功。事實(shí)上， 誰先發(fā)明液晶確實(shí)難以確信。在1887年，第一個(gè)諾貝爾化學(xué)獎的得主，荷蘭化學(xué)家范托夫

34、(Vant Hoff, Jacobus Henricus18521911 )就發(fā)覺了螺旋狀液晶的光活性。他曾把這一發(fā)覺寫信告知 勒曼。這封信已被印在一些有關(guān)液晶的書籍上。液晶發(fā)覺未獲諾貝爾獎的第二個(gè)緣故是，那時(shí)的一 些知名學(xué)者對是不是存在液晶表示疑心。曾因成立熱力學(xué)第二定律取得1920年諾貝爾化學(xué)獎的能 斯脫(Nernst, Hermann Walter 18641941)就堅(jiān)持以為，液晶只只是是液體與晶體的膠體體 系。盡管在初期，也確實(shí)是本世紀(jì)20 年代以前，已經(jīng)用各類方式合成出300多種以上的液晶，很 多人為液晶的生存權(quán)向權(quán)威人士盡力抗?fàn)?，例如弗里德? )曾在20年代以 200頁左右的論

35、文詳 細(xì)地論證了液晶與液體、晶體的區(qū)別，并把液晶分為層狀相、絲狀相和螺旋相三大類，但是在那時(shí)， 許多物理學(xué)與化學(xué)工作者的興奮點(diǎn)轉(zhuǎn)向了繁榮興起的量子力學(xué)，液晶研究已被量子力學(xué)成功的浪潮 所淹沒。1933 年，法拉第學(xué)會召開的研討會上，液晶第一次取得正式承認(rèn)。在這次會議上，弗 里德里克茲(Freedericksz)報(bào)告了磁場對液晶分子排列的轉(zhuǎn)變效應(yīng)。從30到60年代的30連年 間，關(guān)于液晶形成了兩大理論體系。一是宏觀的持續(xù)體理論，該理論利用質(zhì)心速度和分子平均單位 取向矢量指向矢描述液晶長棒狀分子的運(yùn)動。1961年和1968 年, J.埃里克森和萊斯利別 離成立了向列相和膽甾相的流體動力學(xué)非線性方程

36、。該理論說明，向列相和膽甾相具有五個(gè)粘滯系 數(shù)，質(zhì)心運(yùn)動與分子轉(zhuǎn)動互有阻礙。膽甾相的運(yùn)動與溫度有關(guān)，它的流體力學(xué)方程已被實(shí)驗(yàn)所證明。 另一個(gè)理論為液晶的微觀理論，它的成立經(jīng)歷了一段很長的曲折進(jìn)程。液晶發(fā)覺后，曾吸引玻恩、 德布羅意、玻色等一些聞名物理學(xué)家投身到這一領(lǐng)域研究。初期液晶的微觀理論，稱為分子群落學(xué) 說，它確實(shí)是由玻色所提倡，后經(jīng)洛侖茲的學(xué)生奧恩斯丁(Ornstein)與卡斯特(Kast)正式上升 為理論。該學(xué)說以為，液晶是分子群落的混成體。依照絲狀液晶的散射本領(lǐng)比一般液體強(qiáng)得多這一 實(shí)驗(yàn)事實(shí)，該理論以為，一般液體的散射來自單個(gè)分子的布朗運(yùn)動；而液晶的散射那么來自分子群 落的起伏漲落。

37、他們依照液晶對光的散射強(qiáng)度，推算出散射截面的直徑為pm,因此每一個(gè)分子群 落約含有105個(gè)分子。群落間的彼此作用很弱，排列雜亂無章，由于折射率不均勻而造成混濁，但 是在外場作用下，極化扭轉(zhuǎn)致使分子群落趨向排列整齊，而使液晶透明。這一理論在物質(zhì)的分子、 原子層次之上，又增添了一個(gè)“群落”的新層次。不管證明仍是不是定它，都將是對物理學(xué)的基礎(chǔ)性 奉獻(xiàn)。2德燃納對液晶基礎(chǔ)性研究的貢獻(xiàn)德燃納(de Gennes，Pierre Gilles 1932)年僅26歲時(shí)，便被錄用為巴黎大學(xué)固體物理學(xué)教授，在該校教學(xué)金屬與合金的超導(dǎo)理論。在這一時(shí)期，正處于液晶顯示技術(shù)發(fā)明所掀起的 世界性液晶研究高潮當(dāng)中，現(xiàn)在，德

38、燃納受命在巴黎大學(xué)組建液晶研究小組。專門快地，這一研究 組在液晶光電效應(yīng)的研究方面做出了卓越的奉獻(xiàn)。與世界同行，專門是與美國同行相較，德燃納研 究組更偏重于液晶的基礎(chǔ)性研究，使他專門快地成為該學(xué)科中有阻礙的人物。德燃納第一抓住了液晶光的反常散射這一基礎(chǔ)性課題。他舍棄了分子群落學(xué)說，而以 持續(xù)體理論中的指向矢作為大體概念，把指向矢的熱起伏漲落作為液晶反常光散射的理論起點(diǎn)。他 以為，由指向矢空間運(yùn)動的傅立葉變換，能夠把漲落轉(zhuǎn)化為波矢空間諧振子的振動。然后，依照經(jīng) 典統(tǒng)計(jì)力學(xué)的能量均分定理，就能夠夠得出液晶與一般液體光散射截面之比，該比值為105106, 恰好為光波長與分子尺度比值的平方。這一理論結(jié)

39、果專門快被實(shí)驗(yàn)所證明。德燃納的這一功效，不 僅說明了初期分子群落所說明的現(xiàn)象，而且還更具有說服力地證明了液晶散射光所表現(xiàn)出來的退極 化，這正是1951年被卡特林(Chatela in)實(shí)驗(yàn)觀測到，卻不能由分子群落理論說明的一個(gè)關(guān)鍵的 現(xiàn)象。德燃納的這一理論發(fā)覺，使統(tǒng)治液晶研究幾十年的分子群落理論走向衰亡。在此同期，在隨 著液晶顯示技術(shù)帶來的液晶研究高潮中，很多物理與化學(xué)家被卷入到液晶研究。其中有因Ising模 型二維嚴(yán)格解，同時(shí)成立從一般鈾238中分離鈾235的氣體擴(kuò)散法基礎(chǔ)理論而聞名于世，并取得 1968年諾貝爾化學(xué)獎的美國化學(xué)家翁薩格(Onsager，Lars 19031976),他成立了

40、“硬柱”模型絲 狀液晶相變理論。成立類似液晶理論的還有因研究高分子聚合物，并研制成功尼龍、氯丁橡膠而聞 名于世，并取得1974年諾貝爾化學(xué)獎的美國化學(xué)家弗洛里(Flory, Paul John1901)。除此之 外，有人還從平均場動身，提出了一些其它液晶分子的統(tǒng)計(jì)理論。與這些人相較，德燃納更為成功， 他卓有見地地抓住了朗道在 1937年成立的二級相變理論。這一理論把系統(tǒng)的自由能密度在相變點(diǎn) 周圍，展開成序參數(shù)及空間微分的冪級數(shù)。與平均場理論相較，它不僅數(shù)學(xué)上更簡練，還能取得平 均場未能發(fā)覺的新維數(shù)，而且更易推行應(yīng)用到一級相變，即絲狀相各向同性相變。70 年代末，液晶基礎(chǔ)理論研究取得的功效，增進(jìn)

41、了一些相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的飛速進(jìn)展。液晶 顯示普遍地應(yīng)用到各類電器儀表，液晶平板彩色電視已從試制走向商品化大規(guī)模生產(chǎn)。德燃納被錄 用為巴黎物理化學(xué)學(xué)院院長。現(xiàn)在，他的研究課題轉(zhuǎn)向化學(xué)與物理的一門交叉學(xué)科高分子聚合 物物理。由 70 年代進(jìn)展起來的，如中子衍射、激光非彈性散射等新實(shí)驗(yàn)手腕為高分子長鏈在大尺 度范圍的構(gòu)型研究預(yù)備了條件。而在70年代進(jìn)展起來的密度泛函、費(fèi)因曼圖與重正化等理論工具， 又令人們從高分子鏈排列的統(tǒng)計(jì)力學(xué)與相變理論聯(lián)系間找到許多新的標(biāo)度規(guī)律。德燃納運(yùn)用他處置 液晶相變時(shí)簡捷的數(shù)學(xué)技術(shù)，再一次在新的方向上做出了很多制造性的工作。 1979 年他所出版的 專著高分子聚合物物理的標(biāo)度概

42、念成為他又一部傳世之作。1958年以來，這位液晶基礎(chǔ)性 研究的大師又開始了生物膜的研究。依照與鐵電液晶的類比，他靈敏地判定出，利用由*兩個(gè)實(shí)驗(yàn) 室同時(shí)發(fā)覺的人工合成手征生物膜的螺旋構(gòu)形，能夠說明生物膜的機(jī)理。 1988 年他又出版了一部 關(guān)于生物膜的專著。3.液晶生物膜研究早在 1854 年，對細(xì)胞學(xué)的創(chuàng)建做出決定性奉獻(xiàn)的德國病理學(xué)家魏爾嘯( Virchow，Rudolph Carl 18211902)就發(fā)覺，神經(jīng)細(xì)胞髓聚脂溶液具有偏光性，這本是液晶的重要特點(diǎn)之 一。1933 年，法拉第液晶討論會上，生物結(jié)構(gòu)的液晶性質(zhì)被正式提出來討論。 1 965 年，在肯特 (Kent)召開的第一屆國際液晶

43、會議上，生物液晶已被列為正式議題。1974年，在斯德哥爾摩召 開的第五屆國際液晶會議上，人們把生物膜與溶致液晶正式聯(lián)系在一路進(jìn)行討論。自顯微鏡發(fā)明以后，人們專門快就發(fā)覺了一個(gè)令人感到奇異的現(xiàn)象，人體紅血球呈奇異 的雙凹碟形。從60年代到70年代初，那個(gè)問題曾吸引許多生物與物理學(xué)家，他們嘗試從不同角度 提出各類模型進(jìn)行說明。1968年，馮元楨與湯(Tong)曾從薄殼力學(xué)角度，給出了紅血球的計(jì)算 模型。那個(gè)模型類似兩個(gè)彈性薄殼包住各向同性液體的“三明治”，為使薄殼呈向內(nèi)凹狀，必需假定 薄殼厚度是不均勻的，但是那個(gè)假設(shè)與顯微鏡的觀看并非一致。同一年，羅佩茲(Lopez)等人從 電學(xué)角度做了說明，以為

44、向內(nèi)雙凹的緣故是中間膜部份帶電與周圍不同的結(jié)果。這一假設(shè)又被實(shí)驗(yàn) 所否定。1969年，史里瓦斯塔夫(Shrivastav)和布頓(Butto n)又假定紅血球膜的相向部份，存 在有某種長程力，中間的雙內(nèi)陷正是這種引力的結(jié)果。那個(gè)說法又被電鏡的查驗(yàn)否定。還有人把雙 凹成因歸結(jié)為膜中膽固醇散布不均勻，中心部份含量少造成邊緣有較大的內(nèi)應(yīng)力向外彎去；中間部 份含量多內(nèi)應(yīng)力小而由內(nèi)凹變成平坦。但是實(shí)驗(yàn)發(fā)覺，膽固醇在膜上的散布是均勻的。 1970 年， 加拿大一名生物力學(xué)家卡恩漢(Canhan)從彈性勢能最小狀態(tài)提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型。他令H為 膜面平均曲率，膜面彈性勢能E=e (2H) 2dA應(yīng)呈最小值，由

45、此通過運(yùn)算機(jī)模擬，恰好取得雙凹 碟形狀態(tài)。但是，在 1976 年，有人否定了這一結(jié)果，因?yàn)槟軌蜃C明，杠鈴狀也能知足表面膜彈性 勢能最小值的要求，可是這種形狀的紅血球卻從未見到過。由此，紅血球的形狀成為一個(gè)長期懸而 未解之謎。 70 年代液晶的基礎(chǔ)理論慢慢趨于成熟，把對生物膜的研究與液晶聯(lián)系起來，紅血球的 形狀問題才取得了初步解決，與此同時(shí)，生物液晶的研究也由此正式開始。1 992年，該實(shí)驗(yàn)室又從實(shí)驗(yàn)中發(fā)覺了非對稱的環(huán)形泡， 1 993年，歐陽仲燦再次證明， 這種稱為杜邦環(huán)面的非對稱環(huán)形泡是海爾弗里奇方程的又一個(gè)精準(zhǔn)解。這是一個(gè)理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)發(fā) 覺，實(shí)驗(yàn)推動理論研究的極為生動的事例。它不僅緊密了物

46、理與生物兩大學(xué)科的溝通與合作，而且 進(jìn)一步把液晶生物膜的研究推向高潮。在液晶生物膜研究中，理論凝聚態(tài)物理與生物科學(xué)彼此滲透 與交叉的另一個(gè)生動的事例是手征生物膜的研究。手征生物膜屬螺旋相液晶。人們很早就發(fā)覺，在 眾多的生物形態(tài)中，像海螺、蝸牛、螺旋細(xì)菌、各類盤緣植物等的螺旋狀形態(tài)超級普遍。確實(shí)是在 組成生物的各個(gè)層次中，也普遍存在著手征不對稱，如地球上發(fā)覺的氨基酸多為左旋，蛋白質(zhì)和 DNA 大體上是右旋。曾有許多人對這一現(xiàn)象感愛好，因?yàn)檫@種不同層次的生物結(jié)構(gòu)對某種旋向的 偏向，必然與生命起源與進(jìn)化這一更深層次的隱秘有關(guān)。80 年代初，中國物理學(xué)者林克椿曾對天然生物膜的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。1984

47、年，*有 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)發(fā)覺了同一類手征分子組成的人工生物膜的螺旋結(jié)構(gòu)。在較高的溫度下，這種膜呈 閉合泡狀，溫度降到某一臨界溫度下，泡解體，膜分子從頭凝聚為一扭曲的螺帶。隨著溫度的再降 低，螺帶不僅沿軸生長，而且還能像細(xì)藤一樣，沿軸纏繞，螺角接近45。，螺矩 10pm。這種細(xì) 藤帶不僅能沿軸伸長，還能沿橫向加寬，最后使螺矩間閉合而形成一條中空的細(xì)管。立刻有人從這 種奇異的特性中看到了它的價(jià)值。 1990 年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了在這種細(xì)管上鍍金或鍍銅的技 術(shù)。鍍金或銅后，這種管子可用于光電技術(shù)、微形手術(shù)和制作藥物導(dǎo)彈等。這種把生物工程用于微 結(jié)構(gòu)加工與醫(yī)療技術(shù)的斗膽嘗試，不僅說明生物膜研究在生

48、命科學(xué)有效性方面的龐大潛力，也進(jìn)一 步促使理論界躋入破譯生物膜自動卷曲與螺旋結(jié)構(gòu)隱秘的競爭行列。1987 年，德燃納曾把生物膜的卷曲力歸結(jié)為分子鐵電性與邊緣極化電荷的彼此作用。1986 年海爾弗里奇那么把螺旋卷曲歸結(jié)為膜邊緣處的撓曲彈性， 并把線彈性密度寫為Fr=krsin?cos?,其中？為螺角。1988年，海爾弗里奇與普洛斯特（Prost）把撓曲彈性的說明推行 到膜表面，不僅說明了纏繞的藤帶形態(tài)，還說明泡解體后所形成的扭曲螺帶形態(tài)。 90 年代，歐陽 仲燦與劉寄星從液晶本質(zhì)動身，從頭計(jì)算了螺旋膜結(jié)構(gòu)。他們以為，手征生物膜在溫度降低時(shí)，分 子發(fā)生傾斜。由于分子具有手征性，傾斜取向不平行，而形

49、成螺旋狀排列。他們把 Oseen-Frank 液晶自由能項(xiàng)對體積積分，得得手征膜自由彈性能的表述式。其中一項(xiàng)確實(shí)是與線場測地?fù)下氏嚓P(guān) 的能量項(xiàng)，它恰與分子的傾斜與手征性相關(guān)。他們由膜與線場能量的變分取得了曲面與線場的平穩(wěn) 方程，從方程的解恰好取得了膜從泡形到扭曲帶，再從扭曲帶轉(zhuǎn)變到柱形螺帶的轉(zhuǎn)變進(jìn)程，不僅與 實(shí)驗(yàn)的觀看相符合，而且取得了螺管的半徑與螺矩同為一個(gè)數(shù)量級，即10pm。他們的工作不僅 使觀看到的現(xiàn)象與觀測到的數(shù)據(jù)有了完全清楚的理論依照，而且極大地推動了手征生物膜的理論研 究。液晶生物膜理論是70年代才進(jìn)展起來的一門新興邊緣學(xué)科。在短短的20連年的時(shí)刻里，中國 的理論物理工作者就取得了

50、一系列令人注視的功效。其中形狀方程的導(dǎo)出、紅血球精準(zhǔn)解的得出， 環(huán)形膜泡的發(fā)覺和手征生物膜理論的成立等均出自中國學(xué)者之手。在這一前沿領(lǐng)域中，中國物理工 作者不僅占有一席之地，而且已經(jīng)有著重要的阻礙。（四）有機(jī)分子 C60 研究1 從星際物質(zhì)研究到 C60 的發(fā)覺長期以來，人們一直以為石墨和金剛石是僅有的兩種碳的同素異構(gòu)體,1985年9月C60 的發(fā)覺不僅沖破了這一觀念，而且隨著對C60的研究致使一系列新實(shí)驗(yàn)方式與技術(shù)的開發(fā)，更進(jìn)一 步豐碩了人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的熟悉。1984年，羅爾文()用530nm的高功率激光短脈沖轟擊石墨，使石墨蒸發(fā)以取得微團(tuán)。 他發(fā)此刻C+n中，除在n30中，還存在n=60、

51、 70的幻數(shù)。 1985年，英國布賴頓的蘇塞克斯大學(xué)波譜學(xué)家克羅托()和美國休斯頓大學(xué)化學(xué)家斯 莫利及其研究生吉姆希斯等人一路，進(jìn)行了碳的激光蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)。他們用大功率激光轟擊石墨表面， 并用氦氣流將碳碎片組成的等離子體吸入帶有噴嘴的集結(jié)區(qū)。在集結(jié)區(qū)碎片熱碰撞形成新的碳分 子。經(jīng)質(zhì)譜觀看發(fā)覺，產(chǎn)生了豐度約40倍于其它臨近信號的C60分子，同時(shí)還找到了 C70分子的 質(zhì)譜信號。這一實(shí)驗(yàn)給出了存在穩(wěn)固C60的有力證據(jù)。由于原子簇中60”這數(shù)專門大，又由于實(shí)驗(yàn) 的結(jié)果異樣穩(wěn)固，他們以為C60不該存在懸鍵。受到美國聞名建筑師巴克明斯特富勒設(shè)計(jì)成功的 圓頂建筑的啟發(fā)，他們把C60分子假想為具有12個(gè)五邊形和

52、20個(gè)六邊球組成的32面體結(jié)構(gòu)， 它近似為球形，恰有60個(gè)頂角， 60個(gè)碳原子各占一角，它們均處于彼此等價(jià)的位置。每一個(gè)六角 環(huán)類似一個(gè)苯環(huán)。相鄰的碳原子間以8p2雜交軌道形成共軛雙鍵，而在多面體構(gòu)架的內(nèi)外，圍繞著 電子云。顯然這是一個(gè)單純由碳元素結(jié)合成的大穩(wěn)固分子，屬于具有大共軛雙鍵的芳香族。由于這 一結(jié)構(gòu)受到富勒的短線穹窿建筑所啟發(fā)，遂命名為巴克明斯托富勒烯烴，簡稱富勒烯(Fullerene), 又因C60分子的多面結(jié)構(gòu)與足球酷似，又稱為“巴基球”(Buckyball)或“足球烯”?？肆_托等人的這 一發(fā)覺具有重要意義。在他們所發(fā)表的論文中，曾預(yù)言由于C60猶如一個(gè)小的微型鋼球(直徑約)， 可能成為超級潤滑劑。另外，天文學(xué)家不久前觀測到某些紫外吸收帶的本源可能來自星際空間的 C60。他們乃至依照某些星體、彗尾和星際空間存在有大量的碳元素，由此推斷，C60可能是生命 的搖籃，在生命顯現(xiàn)以前，正是C60的催化作用才產(chǎn)生了多種有機(jī)分子。結(jié)構(gòu)的確認(rèn)重要的是對C60結(jié)構(gòu)的確認(rèn)，這不僅需要有足