继续讲故事：自旋之三
送交者: james_hussein_bond 于 2009-12-26, 19:46:51:
开学了，曹卫东第一次教大课，忙得一塌糊涂。头两个月一晃就过去了。临近感恩节，才想起来好久没有和吉米联系了。终于抽出点空，给吉米打了个电话。聊了一会儿，吉米请他感恩节的时候来家玩。感恩节那天，曹卫东下午早早就开车往Glencoe去。吉米家在Glencoe靠北的一条小街旁。房子被一小片树林遮住，如果在夏天从街上几乎看不到房子。进去后，看见房子里面还是非常零乱。客厅没有什么家具，堆着几个纸箱。厨房的家具倒是齐全了。吉米领着曹卫东在厨房桌子旁坐下，淑君烧好水给每个人沏了一杯茶。然后三个人就着一壶茶一盘点心聊了一个下午。聊了很久，曹卫东终于鼓起勇气问，＂吉米，辉瑞公司是什么公司啊？＂＂那是美国最大的制药公司。就是Pfizer。＂＂哦。＂吉米心中暗笑，不相信曹卫东这么多天都没去查一查辉瑞是什么公司。曹卫东心里想的什么，吉米也能猜出来。他倒是很帮忙，问起淑君她妹妹在国内的情况。曹卫东很感激地听着，自己却不用多说话。晚饭的烤鸭是早就准备的。其余菜的三个人一起动手，很快就都做好了。曹卫东给大家斟酒的时候，吉米告诉他淑君已经怀孕了。曹卫东立刻敬了一杯表示祝贺。淑君以果汁代酒喝了。一边喝着酒，吉米问起曹卫东的工作。曹卫东大致介绍了一下自己的研究方向，然后说，＂我现在最想做的，就是拓展研究方向，做些新的东西。象我这样的新人，要想拿到tenure就必须有创新才行。＂吉米说，＂说起新方向，最近IBM出了一个很厉害的新技术，一下子夺取了电脑硬盘市场的领导权，搞得Seagate和Western Digital都摇摇欲坠快不行了。这个新技术叫什么大磁阻效应。＂曹卫东纠正说，＂是巨磁阻效应。＂吉米说，＂对对。就是巨磁阻效应。＂曹卫东说，＂这个已经是十年旧的发明了。我大约知道一点，但是没有太跟踪这个技术的发展。没想到都已经应用到产品上了。＂吉米说，＂听说是两个欧洲的物理学家发明的。有人说这东西会象晶体管那样影响重大。你说这个发明会不会得诺贝尔奖？＂曹卫东笑了，说，＂诺贝尔奖哪能那么容易得？随便一个发明就能拿诺贝尔奖？跟这个发明对口的只能是物理奖。但是这个工作里面物理含量很少，基本上只是技术的改进而已，根本不够格。＂吉米说，＂是吗？那真是太可惜啦。＂曹卫东慢慢呷着酒，不紧不慢地说，＂其实呢，固体物理这部分里最接近诺贝尔奖的工作应该是Landauer五十年代推导的Landauer公式。可惜他今年初去世了。诺贝尔奖是不给死人的。＂吉米问，＂Landauer公式是干什么用的？＂曹卫东说，＂在介观物理里很有用，尤其是介观输运问题。＂淑君问，＂什么是介观物理？＂吉米说，＂就是介于宏观和微观之间的观。＂淑君咯咯笑起来，说，＂噢，是介于什么之间的介啊。我还以为是什么呢。你们物理学家还真会起名字。＂曹卫东说，＂介观物理很好玩的，有些很有意思的现象。有些宏观看不到的量子现象就可以在介观的尺度上看到。＂淑君问，＂介观物理是不是就是纳米技术？＂曹卫东说，＂有联系但是不太一样。介观物理是基础研究，而纳米技术至少现在大部分只是吹牛而已，真正有用的很少。当然也有人把介观物理叫成纳米技术好用来赚取经费。＂吉米问，＂你说介观物理很好玩，能给我们讲个好玩的例子吗？＂曹卫东说，＂量子霍尔效应就是个很好的例子。你们知道什么是霍尔效应吗？＂吉米和淑君两人一起摇头。＂那你们知道电子在磁场中怎么运动吗？＂两人又一起摇头。曹卫东夸张地叹一口气说，＂我在学校也要教这样的学生，不过有一个学期的时间教。而你们，能在十分钟内学会吗？＂两人一起点头。曹卫东呵呵笑起来，说，＂好吧，我们试试吧。一个均匀磁场会给一个运动中的电子一个力。这个力既垂直于磁场的方向，又垂直于电子的运动方向。你们想想，这个力会使电子的运动有什么改变？＂吉米和淑君两人都想了一会儿，淑君小心翼翼地说，＂是个圆圈吗？＂吉米说，＂好象不大对。＂曹卫东说，＂差不多。如果电子运动方向正好垂直于磁场，那么恰好是一个垂直于磁场的圆圈。如果运动方向不正好垂直于磁场呢？＂吉米大声说，＂噢，是一个螺旋线！＂曹卫东说，＂对了！总之，在磁场作用下，运动的电子会拐弯。所以，如果在磁场中的一个导体通上电流，就会在垂直于电流和磁场的方向产生一个横向电压。这就是霍尔效应＂吉米说，＂等等。磁场和电流是同一个方向的吗？＂＂不是。一般是让磁场和电流互相垂直。这样的效果最大。产生的霍尔电压又和它们俩都垂直。就象xyz三个坐标轴。＂吉米说，＂我明白了。那什么是量子霍尔效应呢？＂曹卫东说，＂啊哈，这才是好玩的部分。在介观尺度，量子现象就出现了。电子在磁场中的能级变成分立的。＂吉米问，＂为什么磁场会使电子能级分立呢？＂曹卫东想了一下说，＂如果用一个粗略的说法，一定速度的电子就有一定的波长。在磁场中因为电子轨道是圆圈，圆圈的周长必须是电子波长的整数倍，所以电子垂直于磁场方向的的速度就不能是任意的了。这样一来，改变磁场强度或改变电子速度，在一定范围内霍尔电压都不变。改变多了，霍尔电压会跳一个整数倍。最有意思的是，霍尔电导跳跃的整数正好是电子电荷的平方除以普朗克常数。＂这时候，吉米和淑君两人都听不懂了。淑君说，＂你瞧人家学的东西多高深啊。咱家吉米就只会写几个程序。＂吉米说，＂行，我也跟卫东学点物理。＂感恩节的这次闲聊钩起了曹卫东对自旋电子学的兴趣。但是花了点时间，读了一些文献后，曹卫东仍然认为这里面没有什么好的物理可做。这一天他偶尔翻到一篇几个月以前《物理快报》上的一篇文章，题目叫＂自旋霍尔效应。＂这篇原先被他错过没读的文章给了他很大的启发。这很有可能是打进自旋电子学领域的一个楔入点
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