馮·克里津（德國物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)）

馮·克利津（又譯馮·克利青Klaus von Klitzing, 1943-）因發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)，獲得了1985年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。霍爾效應(yīng)是1879年美國物理學(xué)家霍爾研究載流導(dǎo)體在磁場中導(dǎo)電的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種電磁效應(yīng)。此效應(yīng)廣泛地用于半導(dǎo)體。百年后的1980年，克里津從金屬―氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)電晶體中發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)。

人物成就

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者

克里津1943年6月出生，1962年進(jìn)入德國布朗許瓦格技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)物理，1972年在維爾茲堡物理學(xué)所獲得博士學(xué)位。1980年，他到德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)任教，1984年出任德國馬克斯―普朗克學(xué)會(huì)固體研究所所長。 2004年3月，馮·克里津（K． v． Klitzing）博士應(yīng)邀來華，在位于北京的中德科學(xué)研究中心為公眾作了題為《物理學(xué)與計(jì)量學(xué)——從商代的長度計(jì)量單位到量子霍爾效應(yīng)的應(yīng)用》的科普報(bào)告。從4000多年前中國商代的長度和重量的計(jì)量單位到古埃及和印度用于計(jì)量時(shí)間的日規(guī)、水表，他講述了計(jì)量學(xué)演化的過程，以及量子霍爾效應(yīng)在確定新計(jì)量單位中的應(yīng)用前景。

霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)是1879年美國物理學(xué)家霍爾（Edwin Hall）研究載流導(dǎo)體在磁場中導(dǎo)電的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種電磁效應(yīng)。他在長方形導(dǎo)體薄片上通以電流，再沿電流的垂直方向加上磁場，然后發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)體兩側(cè)與電流和磁場均垂直的方向上產(chǎn)生了電勢差。這個(gè)效應(yīng)后來被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體研究。1980年，馮·克里津從金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)發(fā)現(xiàn)了一種新的量子霍爾效應(yīng)。他在硅MOSFET管上加兩個(gè)電極，再把這個(gè)硅MOSFET管放到強(qiáng)磁場和極低溫下，發(fā)現(xiàn)霍爾電阻隨柵壓變化的曲線上出現(xiàn)了一系列平臺(tái)，與這些平臺(tái)相應(yīng)的霍爾電阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整數(shù)1，2，3……。也就是說，這些平臺(tái)是精確給定的，是不以材料、器件尺寸的變化而轉(zhuǎn)移的。它們只是由基本物理常數(shù)h(普朗克常數(shù))和e(電子電荷)來確定。

量子霍爾效應(yīng)

量子霍爾效應(yīng)是繼1962年約瑟夫森效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后又一個(gè)對基本物理常數(shù)有重大意義的固體量子效應(yīng)。它是20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理學(xué)和有關(guān)新技術(shù)(包括低溫、超導(dǎo)、真空、半導(dǎo)體工藝、強(qiáng)磁場等)綜合發(fā)展加上馮·克利青創(chuàng)造性的研究工作所取得的重要成果。

貢獻(xiàn)理論

計(jì)量學(xué)

計(jì)量學(xué)是研究測量的科學(xué)，它是科學(xué)知識的獲取和應(yīng)用等許多人類活動(dòng)的重要基地，重量和長度的法定體系是調(diào)節(jié)貿(mào)易的基本標(biāo)準(zhǔn)。英國物理學(xué)家、熱力學(xué)第二定律的建立者開爾文勛爵曾經(jīng)說：“當(dāng)你能夠?qū)λf事物進(jìn)行測量并用數(shù)字表達(dá)時(shí)，你對它就有所認(rèn)識了。”

不同的時(shí)間計(jì)量單位

大自然為人類提供了不同的時(shí)間計(jì)量單位。至少在5000年前，巴比倫人與埃及人就已經(jīng)開始用日、月、星辰測量時(shí)間。他們制定歷法，組織協(xié)調(diào)居民活動(dòng)和公眾事件，更重要的是決定播種與收成的時(shí)間。他們的歷法基于三種自然循環(huán)：地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的晝夜周期（日）；月球繞地球公轉(zhuǎn)的朔望周期（月）；地球繞太陽公轉(zhuǎn)的四季周期（年）。而身體的重量和長度則成為古代人們的計(jì)算長度和重量基準(zhǔn)。

古代的時(shí)間計(jì)量方法

在古代，月亮的盈虧比季節(jié)的變遷更為明顯，因此低緯度社會(huì)所發(fā)展出來的歷法受到月亮周期的影響要大于太陽。在較北的地區(qū)，由于農(nóng)業(yè)與季節(jié)的關(guān)系密切，于是太陽年就格外重要。當(dāng)羅馬帝國往北延伸后，羅馬歷法的組成大部分以太陽年為基礎(chǔ)。在古埃及人的歷法中，每月有30天，一年有12個(gè)月，再加上額外的五天以逼近太陽年。他們發(fā)現(xiàn)每隔365天，天狼星就會(huì)在日出之前升起，有12個(gè)星宿橫跨星空，這時(shí)尼羅河就要開始泛濫。由于古埃及人認(rèn)為12星宿的出現(xiàn)意義重大，促使他們發(fā)明一種系統(tǒng)，將黑夜分成12個(gè)單位，后來白晝也同樣分成12等份。為了計(jì)量一天時(shí)間的變化，古埃及人又發(fā)明了日規(guī)，利用太陽長度或角度的變化來將白天分成不同部分，即小時(shí)；夜晚則用水鐘中流出的水量來測量晚上的時(shí)間。在今天印度的齋浦爾，還保留有高精確度的日規(guī)，從18世紀(jì)開始的沙漏計(jì)時(shí)就是來源于水鐘計(jì)時(shí)的原理。

計(jì)量長度和重量

那么，人們怎樣計(jì)量長度和重量呢？早在4000多年前的中國，夏代開國之祖夏禹就以自己身體的長度和重量作為計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)。古埃及王以曾以自己身體各個(gè)部位的長度作為計(jì)量單位。在英文中，“足”與長度計(jì)量單位“英尺”是同一概念，都是由foot來表示的，因?yàn)闅W洲的人們是用足的長度來作為長度計(jì)量單位的。但是不同的“足”有不同的“英尺”，200多年前，德國的每一個(gè)城市都有自己的“足”所確定的“英尺”，柏林的“英尺”最長，為39．09厘米，海德爾堡的“英尺”最短，只有27．86厘米，當(dāng)時(shí)的德國有40多個(gè)不同的“英尺”單位。

用“地球”統(tǒng)一計(jì)量單位

不同的計(jì)量單位帶來了交易和兌換的種種麻煩，人類為統(tǒng)一計(jì)量單位作了種種努力。2200多年前，中國的秦始皇建立了中國歷史上第一個(gè)大一統(tǒng)的封建國家，他最重要的一項(xiàng)貢獻(xiàn)就是在一個(gè)國家的范圍內(nèi)統(tǒng)一了度量衡和文字。那么，能不能制定一個(gè)可以讓全世界各個(gè)國家都可以接受的全球計(jì)量單位呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，地球就是標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位的理想?yún)⒄障怠?/p>

1790年8月，法國科學(xué)院提出應(yīng)統(tǒng)一全世界的計(jì)量單位，法國科學(xué)家創(chuàng)建了“米制”，它以經(jīng)過巴黎地球子午線的四千萬分之一作為長度單位，定名為米；以米的十分之一長度的立方作為容量單位，定名為“立特”（升），以一立方分米的純水在攝氏4度時(shí)的重量（質(zhì)量）作為重量單位，定名為千克（公斤）。這種制度是十進(jìn)位制，完全以“米”為基礎(chǔ)，因此得名為“米制”。法國政府根據(jù)科學(xué)家實(shí)地測定敦刻爾克到巴塞羅那之間地球子午線的弧長和給定體積純水的重量結(jié)果，制成鉑基準(zhǔn)米尺和鉑基準(zhǔn)千克，并從法律上賦予這兩個(gè)基準(zhǔn)以“1米”和“1千克”的值。1875年5月20日，在法國政府召開的“米制外交會(huì)議上”，17個(gè)國家的代表簽字公認(rèn)米制為國際通用的計(jì)量單位制。中國在1928年加入該公約。

盡管“米制”已成為國際計(jì)量單位，但由于傳統(tǒng)和文化的原因，歐美仍然有使用“英制”的習(xí)慣。計(jì)量單位的不統(tǒng)一帶來的不只是麻煩。1999年9月，美國國家航天局？NASA？發(fā)射的火星軌道者號太空船按計(jì)劃進(jìn)入火星軌道繞行并探測火星氣候，然而，這架太空船還沒有到達(dá)目的地就在太空中燒毀了。1999年12月公布的調(diào)查表明事故原因?yàn)椤皩?dǎo)航數(shù)據(jù)中英制和公制單位的互相混淆”。制造這架太空飛船的工程師使用的是英制單位，而NASA導(dǎo)航系統(tǒng)使用的是公制單位，從而將英制數(shù)據(jù)輸入了采用公制數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而導(dǎo)致了導(dǎo)航的錯(cuò)誤，這個(gè)錯(cuò)誤的代價(jià)是1．25億美元。

在米制被確立為國際通用計(jì)量單位制后，科學(xué)們發(fā)現(xiàn)地球的性質(zhì)還沒有穩(wěn)定到足以制定精確、恒定的長度和質(zhì)量計(jì)量單位，因?yàn)榈厍虻闹亓妥游缇€的長度在不同的緯度都略有不同。1899年，馬克斯·普朗克在研究黑體輻射時(shí)引入了一個(gè)新的物理常數(shù)――普朗克常數(shù)，他幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)將這個(gè)常數(shù)與光速和牛頓常數(shù)進(jìn)行組合可以得到長度、質(zhì)量、時(shí)間和能量的單位。今天，1秒的單位是以原子鐘來確定的，1米的單位是以光速來確定的，1公斤的單位是以國際公斤原器的質(zhì)量確定的，1安培的單位是由電磁力確定的。

將來還會(huì)有更精確的計(jì)量單位嗎？克里津說，量子霍爾效應(yīng)該能夠用于質(zhì)量單位公斤的新定義。