超導（１９１１年）等４則

超導(1911年)

海克·卡梅林·翁內斯(1853～1926年)

當阿蒙森和斯科特在尋找地球的冷極時，物理學家在研究另一種更為復雜的冷極——絕對零度。絕對零度是達不到的，我們只能越來越接近它。

這一冷的領域引起人們的好奇心。海克·卡梅林·翁內斯首先發現其中的一個。1908年，這位-荷蘭物理學家首次將氦冷卻到絕對溫度4K，或者是降到攝氏溫度269℃，得到液化氦。在阿蒙森到達南極的1911年5月，卡梅林·翁內斯注意到一件非常奇怪的事情。他安排兩位同事在荷蘭拉頓實驗室里進行冷金屬實驗，記錄電流通過時的電阻。當一組汞的溫度達到絕對零上4.2K時，電阻突然變為零。

這太讓人不可思議了。如果電阻為零，電流可以永遠在線圈上流動。這意味著什么?卡梅林·翁內斯猜想金屬的這種超導狀態可能與新量子理論有關。直到1957年才得出完整的解釋。約翰·巴迪、雷奧·庫珀和羅伯特·施里弗闡述了電子如何通過一系列量子機制結合在一起從而避開它周圍的金屬。

超導可以為我們節省大量的能量，可以使火車或汽車飄浮在空中，使計算機或電子馬達在室內溫度下運行速度越來越快，體積越來越小。1986年，喬格·貝德諾爾茨和阿萊克斯·米勒發現了－238℃時的超導陶器材料。從此以后，人們又發現陶器材料可以在－100℃正常運轉。但是無人能解釋清楚如此高溫的超導材料的運作方式。

晶體管(1947年)

威廉·布拉德福德·肖克萊(1910～1989年)

瓦特·豪澤·布喇頓(1902～1987年)

約翰·巴丁(1908～1991年)

早期的無線電晶體作為“整流器”，使交流電得以單向流過。但晶體整流器性能不穩定，很快就被熱離子管取代，后者可以整流，還可以加強電流。但熱離子管也有缺陷：使用壽命短，電量不足，體積過大。

20世紀30年代，美國貝爾電話實驗室的約翰·巴丁探究了半導體的特性——半導體是一種晶體狀的固態物，導電性能介于金屬和絕緣體之間，其表面效應可引起電流整流。為了確保貝爾電話公司對通訊市場的壟斷地位，巴丁、威廉·肖克萊以及瓦特·布喇頓合作，尋找一種可以替代無線電管的半導體。1947年12月23日，他們發現了一種含有雜質的鍺晶體不僅整流效果遠勝于以往的晶體和無線電管，而且可以用作電流放大器。因為它通過電阻體對電流進行變壓，所以被稱為“晶體管”。

最早的晶體管是點接觸式的，有電流“噪音”，而且只能控制低電量輸入，因而很快就落伍于面接觸式的晶體管，后者由非常薄的含雜質的硅片組成，這些硅片可以賦予不同的區域不同的電性。一般來講，“管座”區具有過剩正電截流子，它被夾在“發射”區和“接收”區之間，后兩者具有充足的負電截流子。當低電壓流被輸到“管座”區時，過剩截流子在接收面接收到電流，然后電流從半導體的一側流向另一側。與舊的電子管不同，晶體管所需電量極小，而且在分子層次運行時，電量可以很容易地降到最低點。

今天，數以百萬計的微型晶體管電路都是蝕刻在比指甲還小的硅片上，為小到助聽器，大到超級計算機的各種設備提供動力支持。

準晶體(1984年)

丹·謝克特曼(1941～)

在20世紀80年代之前，最古老的物理化學原理之一就是所有固體都可以分為晶體或非晶體。與瓷磚地板不同，晶體是由被稱作“晶格”的極其規則的重復圖案構成的。地板的最小重復單位是單獨的一塊瓷磚，而晶體點陣最小的周期結構是所謂的原子或分子的“單位晶格”。對照而言，構成非晶體的原子和分子是非結晶的，根本沒有長距離排列。

但1984年美國國家標準局在蓋瑟斯堡的一個小組在以色列結晶學專家丹·謝克特曼的帶領下，獲得了令人震驚的發現：有一種材料既不是非晶體，也不是晶體。他們發現通過迅速冷卻鋁和錳合金，能夠生成一種底部結構達五層對稱的固體。為什么這一發現會令人吃驚?人們最熟知的這種對稱形狀是五邊形。設想用這種形狀的瓷磚鋪成地板會是什么樣子。你無論如何安排都無法使它完全覆蓋整個地板表面。同樣，五層對稱與相同單位品格的周期排列完全矛盾。令人驚訝的是，謝克特曼與其合作者發現的似是而非的材料顯然具有長距離排列。因此他們將其命名為“準晶體”。很快人們又報道了其他許多這種結構。

準晶體合金比晶體材料堅硬，電阻也更大。人們已經用準晶體合金制作烹飪用具、手術用具和電動剃須刀。然而科學家們最近才開始探究如此復雜排列的組合。1997年，物理學家保羅·斯坦哈特與鄭永柴開發出數學模型解釋準晶體如何能形成于一種單一構件塊。這可能反過來會讓研究者們設計并生產出具有更非凡特性的新型準晶體。

巴克敏斯特富勒體(1985年)

哈里·克羅托(1939～)

理查德·斯莫利(1943～)

羅伯特·科爾(1933～)

在鉆石的晶體點陣中，碳原子呈四角的四面體排列，而石墨中的碳原子是六邊形的環狀物，大片的平面邊緣連在一起。1985年，英國化學家哈里·克羅托與理查德·斯莫利、羅伯特·科爾發現，他們可以組成一個小平面的假球形籠子。

克羅托專心研究碳分子的線性鏈，認為它可能是片刻的分子云形成的。斯莫利擅長制作小原子群，方法是使用激光束將固體目標氣化，并從冷卻的氣體中濃縮原子群。研究者們共同發現，以這種方式形成的大簇碳群都具有偶數原子，而且通過調整實驗條件，他們可以創造幾乎獨自包含整整60個原子的碳群——“C60”。C60異常穩定的關鍵是關閉碳原子的籠子，由五到六個原子環狀物構成，就像用五邊形和六邊形皮革制成的足球一樣，被稱為“巴克敏斯特富勒體”。

結果證明，“巴克形球體”具有一些潛在的使用特性。比如，當“加入”金屬原子時，它會變成超導體。1991年，科學家發現一個相關的中空結構，稱作碳“毫微管”——一個圓柱形管子，樣子像卷起來的一頁石墨紙，只有幾毫微米寬，幾微米長。碳毫微管極其結實堅硬，可以用做超小型電子線路中的分子電線，也可用于制作發光顯示器的電子發射天線，應用范圍非常廣泛。