物理学的尺度

物理专业的小墨还记得，中学时候物理教材上，为了激发学生的物理兴趣，画了一只大蛇，他的蛇头表示宏观,蛇尾表示微观，就是代表物理研究对象的广泛。

图一 物理“大蛇”

经过了这些年的物理学习，小墨越发感到这张大蛇图并不是“王婆卖瓜自卖自夸”，物理学的研究对象大到日月星辰，小到基本粒子，涵盖了人类所能及的各个尺度。1609年，当伽利略将自己制作的望远镜指向天空，天文学从此进入了望远镜时代。那么，微观世界呢，我们人类如何实现对微观世界的观测、甚至调控呢？

我们在中学时候学过，宏观世界遵循牛顿力学规律，给定一个物体的初始状态以及每个时刻的受力情况，可以精确得到未来每个时刻的位置、速度等信息。而电磁学呢，有麦克斯韦方程来统领，其中最常运用的就是欧姆定律——导线中通过的电流等于加在导线两端电压除以导线电阻。

可是微观世界里，情况变得诡异起来。粒子不再同时拥有确定的位置和速度，取而代之的是量子力学的种种规律。今天，小墨以清华大学薛其坤院士团队使用的三大技术手段为例，带大家认识一窥微观世界实验物理的面貌。

来到微观世界，小墨先带大家认识一个神奇的现象——“崂山道士穿墙术”。这是啥意思呢？比如在我们平时生活中，一个人要想翻过一面墙，最起码要能爬到墙顶，总不能穿墙而过吧。可是微观世界的粒子就没那么拘谨，在壁垒面前，人家也有一定几率直接穿过，这就是“量子隧穿效应”。利用这个规律，瑞士的两个科学家 Binnig和Rohrer，在1981年发明了扫描隧道显微镜（STM），并斩获了五年之后的诺贝尔物理奖。

厉害了word哥，五年就拿诺奖，在小墨看来，就是因为扫描隧道显微镜就像伽利略的天文望远镜，它打开了人类进入新世界的大门，利用它，我们可以看见单个原子。

它是什么原理呢？咱们看图二，探针和物体之间加上电压，两者并未接触。按照经典的欧姆定律，这就是断路，不会有电流产生。但如果探针和物体表面之间距离缩小到1纳米以下，电子就可能穿过这个断掉的部分，到达物体，形成电流。并且，电流对于这个距离十分敏感，距离变化十分之一纳米，电流会变化一个数量级。这样利用隧穿电流对距离的高敏感性，就实现了百分之一纳米的空间分辨。我们知道单原子是十分之几纳米的量级，那么我们将探针在平面上扫描，就可以精确观测到原子排布。那怕多一个或少一个原子，都逃不过它的眼睛。

图二 扫描隧道显微镜示意图

图三  用STM针尖移动的铁原子

微观世界法宝之二

现在，既然我们有了观测微观世界的工具，接下来，自然就希望能在微观世界里进行一些调控。尤其是在半导体科学和技术中，对材料的纯度要求极其之高，多一个原子嫌多，少一个原子嫌少，这就需要非常强大的材料制备工具，其中，一个强大的武器就是分子束外延技术（MBE）。分子束外延技术是由华人物理学家卓以和先生和他的同事J. Arthur先生于上世纪50年代在应用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料过程中发展起来的。在超高真空的条件下，通过把由热蒸发产生的原子或分子束射到被加热的清洁的衬底上，沉积到衬底上的原子经过成核、扩散等一系列动力学过程而生成薄膜，同时，利用反射高能电子衍射仪（RHEED）监测外延层的晶格结构和表面形貌（图四）。

图四 分子束外延技术

这种制备薄膜方法，是一种原子级加工技术，速率慢，但可控性高，有利于精确控制外延层的厚度、结构和组分等。简单说，利用分子束外延技术，可以在单原子尺度上精确构建量子世界，制备化学组分严格可控的高质量单晶薄膜。

此外，薛其坤团队还有一个法宝，可以用来观测固体材料里电子的情况，这就是角分辨光电子能谱（ARPES）。角分辨光电子能谱的原理说起来大家都很熟悉，就是我们中学都学过的光电效应：1987年，赫兹发现，在高于某特定频率的光照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流或自由电子，被打出来的电子就叫做光电子。这个过程中，能量是守恒的，所以光子的能量跑到哪里了呢？光子的能量除了补偿电子脱离材料的功、挣脱电子本身的束缚能以外，剩下的都变成了光电子的动能，而这个动能可以反应电子在固体中平行于样品表面的动量分量。我们在多个出射角度上探测、分析光电子的动能和计数，就可以得到关于固体中电子的很多信息。

图五 角分辨光电子能谱

从1990年开始，薛其坤团队开始使用这三大法宝，并开创性地将他们在超真空系统下结合起来，发展成了超高真空STM-MBE-ARPES 联合系统。由于各个仪器的特点和限制，将这三大法宝结合起来实际需要克服很多技术难题。具体过程，这里就不在赘述了，简单一句话，就是薛其坤团队在2000年做到了！正是利用这些强大的技术作为利器，薛其坤团队才有了后来在半导体材料、反常量子霍尔效应、高温超导等领域的重大科研成就。在2008-2009年前后，国际上凝聚态物理研究领域的几个著名实验室也开始搭建集三大法宝于一体的实验装备。

图六 超高真空STM-MBE-ARPES 系统

感谢清华大学物理系王立莉老师对本文成文的帮助。