凝聚態物理學大師海因里希?羅雷爾博士

[摘要]瑞士物理學家和發明家海因里希·羅雷爾與德國物理學家和發明家格爾德·賓尼希合作發明掃描隧道顯微鏡（STM），STM的發明被國際科技界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一，它開啟了納米科技的新紀元，催生了介觀物理學。羅雷爾博士對中國人民十分友好，1997年退休后曾多次訪華（包括2011年對內蒙古科技大學的訪問）并進行多場學術演講和交流，為發展中瑞兩國人民之間的傳統友誼和推動兩國科學家之間的學術交流作出積極貢獻。

[Abstract]The Swiss physicist and inventor Heinrich Rohrer，together with another German physicist and inventor Gerd Binnig，invented the scanning tunnel microscope （STM），which is universally recognized as one of the Top 10 science and technology achievements in the 1980s among the international scientific and technical community. It is their invention that directly led to the rise of the mesoscopic physics and the new horizon for the nanoscience and nanotechnology. Dr. Heinrich Rohrer is very friendly to the Chinese people. After the retirement in 1997，he visited China many times （including the 2011 visit to the Inner Mongolia University of Science & Technology） for lectures and academic exchanges. And his contributions have strengthened not only the academic communications of Swiss and Chinese scientists，but also the friendly ties between the people in the two countries.

[關鍵詞]海因里希·羅雷爾博士；凝聚態物理學；介觀物理學；納米科技；透射電子顯微鏡（TEM）；掃描電子顯微鏡（SEM）；場離子顯微鏡（FIM）；掃描隧道顯微鏡（STM）；諾貝爾物理學獎

[Key words]Dr. Heinrich Rohrer；condensed matter physics；mesoscopic physics；nanoscience and nanotechnology；transmission electron microscope （TEM）；scanning electron microscope（SEM）；field ion microscope（FIM）；scanning tunneling microscope （STM）；Nobel prize in physics

1羅雷爾先生生平與家庭成員

海因里希·羅雷爾（又譯為羅勒，海因里希·

羅雷爾博士

Heinrich Rohrer，1933.06.06—2013.05.16）出生于瑞士德語區圣加倫州（Sankt Gallen）溫登堡區（Werdenberg，又名Wahlkreis）布希鎮（Buchs）一個富裕的制成品批發商家庭，他是漢斯（Hans Heinrich Rohrer）和卡薩琳娜（Katharina Ganpenbein Rohrer）夫婦4個孩子中的第3個，其孿生姐姐只比他先出生半個小時。1949年全家遷居蘇黎世。1961年他與露絲—瑪麗（Rose–Marie Eggar）小姐結婚，其蜜月在美國度過，婚后育有兩女：長女多麗絲（Doris Shannon）和次女愛倫（Ellen Linda）。2013年5月16日羅雷爾因自然衰竭而逝世于瑞士德語區施維茨州（Schwyz）霍夫區（Hfe）伍爾勞鎮寓所（Rebbergstrasse 9D CH-8832 Wollerau），享年80歲。

羅雷爾的主要學習經歷：1955年獲瑞士聯邦理工學院（即蘇黎世工業大學ETH Zürich）物理學BS，1960年獲該大學實驗物理學PhD。其博士論文是關于測量超導體在磁場中長度的變化，此項工作始于以測量楊氏模量的不連續性而著稱的丹麥物理學家奧爾森（Jrgen Lykke Olsen，1923—2006），其博士導師是瑞士低溫工程專家格拉斯曼（Peter Grassmann，1907—1994）教授。

羅雷爾的主要工作經歷：大學畢業后曾短期服役于瑞士山地步兵團。1961—1963年在美國新澤西州羅格斯大學（Rutgers University）進行有關II類超導體和金屬的導熱性的博士后研究；1963—1997年任職于瑞士蘇黎世州霍爾根區（Horgen district）魯希利康（Rüschlikon）的美國IBM公司蘇黎世研究實驗室ZRL（IBM Zurich Research Laboratory，常簡寫為IBM Research–Zurich，成立于1956年），1986—1988年任實驗室物理學部主任，獲諾獎時是該實驗室的高級研究員，期間曾于1974—1975年到美國加利福尼亞大學圣巴巴拉分校（UCSB）做訪問學者，進行核磁共振NMR（nuclear magnetic resonance）方面的研究。

2凝聚態物理學大師羅雷爾的主要學術成就與貢獻凝聚態物理學家羅雷爾原本喜歡古典文學和自然，只是1951年在瑞士聯邦理工學院注冊時才決定主修物理學。1963年年末他來到IBM公司蘇黎世研究實驗室工作，其第一個任務是研究近藤系統（Kondo system）在脈沖磁場中的磁阻問題。近藤效應（Kondo effect）是指含有極少量磁性雜質的晶態金屬在低溫下出現極小電阻的現象，因1964年首先由日本理論物理學家近藤淳（Jun Kondo，1930.02.06—）從理論上闡明了該現象的形成機制而得名。20世紀60年代末從事反磁體研究，在物理研究組組長卡爾·穆勒（1987年諾貝爾物理學獎得主）博士的支持和鼓勵下研究臨界現象（critical phenomena）。為了進行超導研究，1978年開始與同事、聯邦德國（西德）物理學家和發明家賓尼希（又譯為比尼格，Gerd Karl Binnig，1947.07.20—）博士合作構想掃描隧道顯微鏡，首先利用量子隧道效應原理研究物體表面現象的是美國籍挪威裔物理學家、1973年諾貝爾物理學獎得主賈埃弗（Ivar Giaever，1929.04.05—），但他未能解決好穩定性問題。1981年羅雷爾和賓尼希力克這一技術難關：利用壓電陶瓷的壓電效應設計顯微鏡的電鏡工作臺，通過壓電陶瓷的細微調節功能實現試樣的精確定位和探針的平面掃描，采用超導磁懸浮的辦法達到系統隔震的目的。1982年他們終于創制出世界上第一臺新型的物體表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡STM（scanning tunneling microscope），開辟了物質結構研究的全新領域。STM主要是利用一根非常細的鎢金屬探針，針尖電子會跳到待測物體表面上形成穿隧電流，同時物體表面的高低會影響穿隧電流的大小，依此來觀測物體表面的三維形貌且又不損傷樣品。1983年他們利用STM在硅單晶表面第一次直接觀察到周期性排列的硅原子陣列及其表面電子行為[1]。這種顯微鏡的放大倍數可高達3億倍，最小分辨率（平行方向為0.04nm，垂直方向為0.01nm）僅為原子直徑的1/25（即0.04）。掃描隧道顯微鏡的誕生是電子顯微技術發展史上的一個重要里程碑，在此基礎上，科學家們還發明了近場掃描光學顯微鏡NSOM/SNOM（near–field scanning optical microscope，1984年）[2]、原子力顯微鏡AFM[atomic force microscope，又稱掃描力顯微鏡SFM（scanning force microscope），1986年由賓尼希等3人發明[3-4]]、磁力顯微鏡MFM（magnetic force microscope，1987年）、靜電力顯微鏡EFM（electrostatic force microscope）、摩擦力/橫向力顯微鏡FFM/LFM（friction/lateral force microscope）、激光力顯微鏡LFM（laser force microscope）、化學力顯微鏡CFM（chemical force microscope）、光子掃描隧道顯微鏡PSTM（photon STE）、掃描熱電勢顯微鏡SThM（scanning thermal microscope）、彈道電子發射顯微鏡BEEM（ballistic electron emission microscope）、掃描離子電導顯微鏡技術SICM（scanning ion conductance microscope）和掃描隧道電位儀STP（scanning tunneling potentionmetry）等近30種不同用途的相關科學儀器[5]。上述發明為科學家們探索納米世界提供了一系列強有力的現代化工具，促進了國際上納米科技時代的到來。1986年與賓尼希合作發表論文《掃描隧道顯微鏡》[6]，翌年兩人又合著專著《掃描隧道顯微鏡》（德文Das Raster–Tunnelmikroskop，英文The Scanning Tunneling Microscope）。

此外，羅雷爾還涉獵過磁相圖（magnetic phase diagrams）、納米力學（nanomechanics）、相變（phase transitions）、多臨界現象（multicritical phenomena）、隨機領域問題（random–field problem）和超導性（superconductivity）等物理學前沿研究領域。

掃描隧道顯微鏡（STM）的發明在科學技術發明史上占有很重要的地位，從以下STM所獲得的榮譽中就可窺見一斑并凸顯其歷史意義和價值。

2007年12月19日愛思唯爾（Elsevier，其總部設在荷蘭首都阿姆斯特丹）旗下的《今日材料》（Materials Today）雜志（月刊，創刊于1998年）評選出全世界50年以來材料科學領域的十大科技進展：①《國際半導體技術藍圖（ITRS）》（The International Technology Roadmap for Semiconductors）：1994年起已更名為美國《國家半導體技術藍圖（NTRS）》（The National Technology Roadmap for Semiconductors）；②掃描探針顯微鏡SPMs（scanning probe microscopes）：包括STM、AFM、MFM和EFM等各種探針式掃描顯微鏡；③巨磁電阻效應GMR（giant magnetoresistive effect），法國物理學家費爾（Albert Fert，1938.03.07—）和德國物理學家克魯伯格（Peter Andreas Grünberg，1939.05.18—）因于1988年先后獨立發現巨磁電阻效應而分享2007年諾貝爾物理學獎，并共享“硬盤技術之父”的雅稱；④半導體激光器和發光二極管（semiconductor lasers and LEDs）；⑤美國《國家納米技術計劃》（National nanotechnology initiative）；⑥碳纖維強化塑料（carbon fiber reinforced plastics）；⑦鋰離子電池材料（materials for Li ion batteries）；⑧納米碳管CNT（carbon nanotubes）；⑨軟光刻（soft lithography）；⑩超材料（metamaterials）。

為紀念美國國際商業機器公司IBM（International Business Machines，成立于1911年6月16日）創建100周年，美國著名IT網站eWeek于2011年評選出IBM公司百年來十大高科技創新發明（均被授予美國專利）：①打孔機：專利號是US998631A，公開日：1911.07.25，IBM公司歷史上的第一個專利；②場效應晶體管存儲器（即動態隨機存儲器DRAM，日后成為計算機內存的標準）：專利號是US3387286A，公開日：1968.06.04；③掃描隧道顯微鏡（STM）：專利號是US4343993A，公開日：1982.08.10；④微機系統外圍設備總線控制技術（即IBM PC/AT）：專利號是US4528626A，公開日：1985.07.09；⑤遠紫外線外科和牙科手術（日后成為激光眼科手術的基礎）：專利號是US4784135A，公開日：1988.11.15；⑥電子目錄訂購系統（該發明使公共和私人電子網上購物圖錄服務成為可能）：專利號是US5319542A，公開日：1994.06.07；⑦碳納米管（專利名：碳纖維及其產品的生產方法）：專利號是US5424054A，公開日：1995.06.13；⑧管理數據挖掘維護（專利名：空間分析系統：有效地安排和調度基礎設施的維護和監控）專利號是：US6496814B1，公開日：2002.12.17；⑨車輛電子設備安全技術：專利號是US7006793B2，公開日：2006.02.28；⑩硬盤錄像機管理（專利名：通過網絡管理數字視頻記錄）：專利號是US7684673B2，公開日：2010.03.23。

3凝聚態物理學、介觀物理學與納米科技

固體可分為晶體、準晶體（準晶體的發現是2011年諾貝爾化學獎的獲獎成果）和非晶體三大類。組成晶體的粒子，在三維空間的排列形成晶格，具有周期性及與周期性相容的空間取向有序性。1855年法國物理學家布拉維（Auguste Bravais，1811.08.23—1863.03.30）最終確定晶格的型式有且只有14種（即布拉維點陣），并將其歸納為7類晶系。他首次將數學中群的概念應用于物理學，為固體物理學作出奠基性貢獻。后來人們已確定晶體的對稱性可由32個點群和230個空間群來描述。1912年德國物理學家馮·勞厄（Max Theodor Felix von Laue，1879.10.09—1960.04.23，1914年度諾貝爾物理學獎得主）發現X射線在晶體原子點陣中的衍射（勞厄圖），開創了固體物理學的新時代，自此人們就可以通過X射線的衍射條紋來研究晶體的微觀結構。

“凝聚態”是物質的一種聚集態，構成凝聚態物質的粒子相互之間存在著較強的作用，所表現的一個共同的宏觀特征就是其難以被壓縮。粒子間較強的相互作用，使凝聚態物質的性質相對于粒子間距較大的氣態，具有一系列顯著的特征。凝聚態物質包括常見相中的固態和液態（氣態不屬于凝聚態）、軟物質（softmatter，又稱軟凝聚態物質或復雜液體）；高溫下的等離子態；低溫下的玻色─愛因斯坦凝聚態BEC（2001年諾貝爾物理學獎獲獎成果）、費米子凝聚態、拉廷格液體（Luttinger liquid，又稱Tomonaga–Luttinger liquid）、超流態（superfluid）、超導態（superconductor）和超固態（supersolid）以及磁介質中的鐵磁性、反鐵磁性（antiferromagnetism）和鐵電體（ferroelectrics）等。凝聚態物理學是研究凝聚態物質的物理性質與微觀結構以及它們之間的關系，即通過研究構成凝聚態物質的電子、離子、原子及分子的運動形態和規律，從而認識其物理性質的學科，其理論基礎是量子力學。凝聚態物理學是以固體物理學為基礎的外向延拓，低溫物理學的發展拓寬了其研究領域。它涉及的研究內容十分廣泛，應用性極強，已成為物理學科發展的重點。固體物理學的一個重要理論基石是能帶理論，它建立在單電子近似的基礎上，而凝聚態物理學的概念體系則淵源于相變與臨界現象理論，根植于相互作用多粒子理論，因而具有更加寬闊的視野。20世紀90年代以后，“凝聚態物理學”已逐漸取代“固體物理學”而成為其同義詞。

介觀是指介于宏觀和微觀之間的意思。納米（1nm=10-9m=10）是一個介觀尺度的度量單位，它介于微觀尺度（原子大小，0.1nm級）和宏觀尺度（光學顯微鏡的分辨極限尺度是光波長的量級，即0.2～3μm）之間。介觀物理學是一門研究介觀體系中表面和界面問題的學科。在1990年3月美國物理學會凝聚態年會上，首次將介觀物理學單獨列為分組議題。20世紀90年代以來，對介觀系統的研究已逐步成為凝聚態物理學的一個嶄新研究領域[7]。

1959年12月29日美國理論物理學家和教育家理查德·費曼（Richard Phillips Feynman，1918.05.11—1988.02.15，1965年諾貝爾物理學獎得主）在加利福尼亞理工學院（Caltech）出席美國物理學會年會時，發表了題為《微觀世界仍有很大發展空間》（Theres Plenty of Room at the Bottom）的演講，明確提出以操縱單個原子、原子團或分子為手段的納米技術這一基本概念。1962年日本東京大學數學物理學家久保亮五（Kubo Ryōgo，1920.02.15—1995.03.31）教授首創量子限制理論用來解釋金屬納米粒子的能階不連續性，這是納米科技的重要里程碑。1974年東京理工大學谷口紀男（Norio Taniguchi，1912.05.27—1999.11.15）教授首創“納米技術”（nanotechnology）一詞用以表示公差小于1μm的精密機械加工，有時亦稱其為納米科技（nanoscience and nanotechnology）。現一般將發明STM的1982年（1981年是STM的技術難題突破年）視為納米元年。1990年7月首屆國際納米科技會議和第5屆國際掃描隧道顯微鏡學會議同時在美國巴爾的摩舉行，大會將納米電子學（包括自旋電子學）、納米機械學、納米生物學和納米材料學列入納米科技的四大前沿研究領域，并決定出版《納米結構材料》（Nanostructured Materials）、《納米生物學》（Journal of Nanobiotechnology）和《納米科技》（Journal of Nanoscience and Nanotechnology）三種國際性期刊。1991年日本筑波科學城NEC公司物理學家飯島澄男（Iijima Sumio，1939.05.02—）利用TEM在觀察碳的團簇時偶然發現了納米碳管，成為當時納米科技研究的熱點。

4電子顯微鏡發明簡史

電子顯微鏡的研制歷史可追溯到19世紀末，1897年德國物理學家布勞恩（Karl Ferdinand Braun，1850.06.06—1918.04.20，1909年諾貝爾物理學獎得主）利用熒光物質改善了克魯克斯管，發明了一種可用熒光屏觀測電場控制的狹窄電子束的陰極射線管──布勞恩管，它是電子示波器和電視顯像管的前身，這樣的電子束管和高真空技術為電子顯微鏡的誕生準備了技術條件。1924年法國理論物理學家德布羅意（Prince Louis–Victor Pierre Raymond=7th duc de Broglie，1892.08.15—1987.03.19，1929年諾貝爾物理學獎得主）在其博士論文中將愛因斯坦關于光子波粒二象性的概念加以推廣，系統地提出包括電子在內的一切微觀粒子都具有波粒二象性的著名論點。1926年德國物理學家布希（Hans Walter Hugo Busch，1884.02.27—1973.02.16）研制成功世界上第一個磁力電子透鏡并發表關于磁聚焦的論文，提出電子束通過軸對稱電磁場時可以聚焦（如同光線通過透鏡時可以聚焦一樣），首創幾何電子光學理論和電子透鏡理論，為電子顯微鏡的誕生奠定了理論基礎[8]。德國物理學家魯斯卡（Ernst August Friedrich Ruska，1906.12.25—1988.05.27，被譽為“電子顯微鏡之父”）于1928年11月在柏林工業大學TUB（德文Technische Universitt Berlin，英文Technical University of Berlin，又譯為柏林理工大學、柏林科技大學或柏林技術大學，1879年由3個學院合并而成）上大學期間就參加了由該大學高壓實驗室主任馬提亞斯（Adolf Matthias，1882.07.29—1961.09.03）教授領導的陰極射線示波器科研組的工作，1929年開始在電子研究小組組長、德國電氣工程師科諾爾（Max Hans Hermann Knoll，1897.07.17—1969.11.06）博士指導下從事電子透鏡的實驗研究，1931年3月9日他們合作創制出利用高真空下的電子束代替光束成像、二級磁透鏡放大的透射電子顯微鏡原型，這是一臺經過改進的陰極射線示波器，最初的放大率僅為16倍，這是世界公認的電子顯微鏡的雛形。魯斯卡與德國物理學家馮·波里斯[Bodo von Borries，1905.05.22—1956.07.17，魯斯卡的妹夫，1954—1956年任國際電子顯微鏡學會聯合會IFSEM（2002年起更名為IFSM）首任會長，1956—1958年魯斯卡接任第2任會長]合作，采用磁極靴代替長螺線管線圈，進一步研制出全金屬鏡體的電子顯微鏡并于1932年3月17日將這種磁透鏡申請了德國專利（編號：DE680284C，公開日：1939年8月25日）。經不斷改進和完善，在解決一系列技術難題（如穩定度極高的高壓電源、電磁透鏡電流的恒定和整個系統的高真空等）以后，魯斯卡終于在1933年12月獨自研制出比較成熟的透射電子顯微鏡TEM（transmission electron microscope），獲得了金屬鋁箔和棉絲纖維的1.2萬倍的放大像，其分辨率首次突破了光學顯微鏡[1628年德國神父和天文學家席耐爾（Christoph Scheiner，1573/1575.07.25—1650.07.18）利用兩塊凸透鏡（物鏡和目鏡）制成復式顯微鏡，這是現代光學顯微鏡的原型。1874年德國光學家和企業家阿貝（Ernst Karl Abbe，1840.01.23—1905.01.14）利用衍射理論證明普通光學顯微鏡存在分辨率極限（即阿貝極限，0.2μm），奠定了光學顯微鏡成像的經典理論基礎，1878年英國物理學家瑞利（1904年諾貝爾物理學獎得主）給出光學顯微鏡分辨率的極限公式]的極限，開創了物質微觀結構研究的新紀元，TEM的發明被譽為“20世紀最重要的發明之一”[9]。1932年科諾爾和魯斯卡合作在德國著名的《物理學年鑒》雜志發表論文《幾何電子光學的進展》[10]，首次引入電子顯微鏡的概念和首次使用電子顯微鏡的名稱，故1932年常被視為是電子顯微鏡的誕生年。1933年魯斯卡以論文《電子顯微鏡的磁物鏡》[11]（其研究主題是電子光學和電子顯微鏡學，博士導師：科諾爾）獲柏林工業大學工學PhD。應西門子—哈爾斯克公司S & H[von Siemens & Halske，1966年西門子股份公司（Siemens AG）正式成立]的邀請，1937年春魯斯卡和馮·波里斯幫助其建立電子光學和電子顯微鏡學實驗室，1937—1940年他倆共同擔任該實驗室主任工程師和責任指導人，1940年將它建成為第一個電子顯微鏡開放實驗室（當時裝備了4臺電子顯微鏡）。1939年S & H公司研制成功分辨率達30的世界上最早的商用電子顯微鏡（當時稱超顯微鏡）并投入批量生產，魯斯卡及其胞弟、醫生和生物學家赫爾穆特（Helmut Ruska，1908.06.07—1973.08.30）等人利用這種電子顯微鏡在生物學研究方面（如噬菌體病毒）獲得很大成功[12-13]。

1936年德國物理學家和發明家歐文·穆勒（又譯為米勒，Erwin Wilhelm Müller，1911.06.13—1977.05.17）創制出場發射顯微鏡FEM（field emission microscope），后發展為場發射電子顯微鏡FEEM（field emission electron microscope）和場發射掃描電子顯微鏡FESEM（field emission SEM）。1952年以后他一直供職于美國賓夕法尼亞大學（簡稱賓州大學），1955年他發明了場離子顯微鏡FIM（field ion microscope），1967年他與合作者又發明了原子探針場離子顯微鏡APFIM（atom probe FIM）。

1937年（1938年正式發表相關論文）德國柏林西門子—哈爾斯克公司的應用物理學家和發明家馮·阿登納男爵（Baron Manfred von Ardenne，1907.01.20—1997.05.26）在TEM基礎上增加掃描線圈，創制出掃描透射電子顯微鏡STEM（scanning TEM），這是世界上第一臺掃描電子顯微鏡SEM（scanning electron microscope，簡稱掃描電鏡），它主要是利用樣品表面產生的二次電子成像來對物質的表面結構進行研究，是探索微觀世界的有力工具。出生于帝俄的美國無線電公司RCA（Radio Corporation of America）實驗室發明家、現代電視技術的先驅茲沃里金（Vladimir Kosmich Zworykin，1889.07.29—1982.07.29，1924年加入美國籍）于1942年制成世界上第一臺實驗室用SEM（分辨率1μm），1965年英國劍橋儀器公司生產出世界上第一臺商品化SEM，1985年德國蔡司公司（Carl Zeiss AG）研制出世界上第一臺數字化SEM，1990年起全面進入數字圖像掃描電鏡時代。

SEM（1937年）、FIM（1955年）和STM（1982年）是已達到原子分辨水平的三種重要科學儀器，前兩者主要應用于材料科學領域，而STM則直接導致納米科技這一應用科學的興起。1955年10月11日美國賓州大學物理學教授歐文·穆勒及其博士生巴哈杜爾（Kanwar Bahadur）首次通過FIM觀察到單個鎢原子的成像[14-15]，這是人類有史以來首次得以清晰地觀察到單個原子的分布圖像。出生于英國的美國芝加哥大學物理學家克魯（Albert Victor Crewe，1927.02.18—2009.11.18）等人于1970年利用現代化的SEM實現了原子級的分辨率[16]。STM是第三種能夠觀察到單個原子的技術，甚至于可實現單原子操控[17-18]。現在科學家們利用STM觀測到的掃描隧道譜STS（scanning tunneling spectroscopy）已能進行單分子物理學研究。

5瑞士籍諾貝爾物理學獎得主

迄今瑞士籍的諾貝爾物理學獎得主共有3.5位（愛因斯坦獲獎時擁有德國和瑞士雙重國籍，按0.5位計算）[19]：①1920年獲獎的冶金學家、實驗物理學家和計量學家紀堯姆（Charles douard Guillaume，1861.02.15—1938.06.13）：表彰“他發現鎳鋼合金的反常特性及其在物理學精密測量中應用的重要貢獻”（in recognition of the service he has rendered to precision measurements in Physics by his discovery of anomalies in nickel steel alloys），他于1902—1915年任國際計量局BIPM（法文Bureau International des Poids et Mesures，英文International Bureau of Weights and Measures，1875年5月20日成立，其總部設在巴黎西南近郊的塞夫勒Sèvres）副局長，1915—1936年任BIPM局長。②1921年度獲獎的理論物理學家愛因斯坦[20-22]。③1986年獲獎的實驗物理學家羅雷爾：1986年10月15日瑞典皇家科學院決定授予馬克斯·普朗克學會弗里茨·哈伯研究所的聯邦德國物理學家魯斯卡、聯邦德國物理學家賓尼希和瑞士物理學家羅雷爾當年諾貝爾物理學獎，當年每項諾獎獎金總額是200萬瑞典克朗，魯斯卡獲得其中的50%，以表彰“他在電子光學的基礎性研究并設計出第一臺電子顯微鏡”（for his fundamental work in electron optics，and for the design of the first electron microscope）；賓尼希和羅雷爾各獲得獎金總額的25%，以表彰“他們設計出第一臺掃描隧道顯微鏡”（for their design of the scanning tunneling microscope）[23-24]。1986年12月8日魯斯卡在斯德哥爾摩發表了題為《電子顯微鏡和電子顯微鏡學的發展》（The Development of the Electron Microscope and of Electron Microscopy）的諾貝爾演講，同日賓尼希和羅雷爾也聯名發表了題為《掃描隧道顯微鏡學：從誕生到成熟》的諾貝爾演講[25]。④1987年獲獎的超導物理學家卡爾·穆勒（又譯為米勒，Karl Alexander Müller，1927.04.20—）：因高溫超導體方面的重要貢獻與聯邦德國物理學家柏諾茲（Johannes Georg Bednorz，1950.05.16—）分享當年諾貝爾物理學獎，表彰“他們在發現陶瓷材料的超導性方面作出重大突破”（for their important breakthrough in the discovery of superconductivity in ceramic materials），獲獎時他倆都是IBM公司蘇黎世研究實驗室的高級研究員。

1952年諾貝爾物理學獎得主布洛赫（Felix Bloch，1905.10.23蘇黎世—1983.09.10蘇黎世）是出生于瑞士的美國籍猶太物理學家，他1934年移居美國，1939年加入美國籍（未保留瑞士籍）。

各項諾貝爾獎得主現基本上在每年10月的上旬和中旬揭曉，公布順序現依次是：生理學或醫學獎、物理學獎、化學獎（2000年及以前與物理學獎同日公布）、文學獎、和平獎和經濟學獎。魯斯卡、賓尼希和羅雷爾是諾貝爾物理學獎歷史上的第127～129位得主，諾貝爾獎歷史上的第545～547位得主。羅雷爾是諾貝爾物理學獎歷史上的第117位逝者，諾貝爾獎歷史上的第547位逝者。

根據筆者的統計（雙重國籍者各按0.5人計算），在113屆（1901—2013）諾貝爾獎的頒獎歷史上，現共有195人196人次榮獲諾貝爾物理學獎（其中美國理論物理學家巴丁于1956年和1972年兩次榮獲物理學獎），瑞士籍得獎人數位于美國（86.5）、英國（23）、德國（22.5）、法國（13）、俄羅斯（10，含前蘇聯）、荷蘭（8.5）、日本（6）和瑞典（4）之后，名列第九位。這9個國家的合計人數177占總人數195的90.77%，由此可見諾貝爾物理學獎得主的國籍是高度集中的，其國籍分布數量只有19個，僅多于1969年才設立的紀念阿爾弗雷德·諾貝爾經濟學獎的12個[26-30]。

荷蘭物理學家塞爾尼克（Frederik "Frits" Zernike，1888.07.16—1966.03.10）“因首倡相襯法，特別是他發明了相襯顯微鏡”（for his demonstration of the phase contrast method，especially for his invention of the phase contrast microscope）而榮獲1953年諾貝爾物理學獎。1932年塞爾尼克試制成功第一臺相襯顯微鏡（又稱相差顯微鏡）并于同年11月26日以蔡司公司的名義申請了德國專利（編號：DE636168C，公開日：1936年10月7日），1941年蔡司公司首先生產出相襯物鏡及其附件。

6羅雷爾博士與中國

羅雷爾博士是繼愛因斯坦之后，第三個榮獲諾貝爾物理學獎的瑞士籍人士，時間間隔達65年之久。北京大學校長蔡元培于1920—1922年曾三次力邀愛因斯坦訪華，但他終未成行。1997年羅雷爾從IBM公司蘇黎世研究實驗室退休后，經常到世界各地遠游并講學，其足跡踏遍中華大地的大江南北，彌補了其前輩愛因斯坦未能正式訪華的遺愿。根據筆者收集和查詢到的有關資料信息，羅雷爾退休后公開報道的訪華（包括中國臺灣）經歷大致有：①1998年5月7～13日訪問臺灣，11日在臺北“中央研究院物理研究所”做了題為《超越納米電子學的納米工程學》（Nanoengineering beyond Nanoelectronics）的學術報告（載1998年5月1日《中央研究院周報》第667期）。②2000年10月24日上午8時在北京友誼賓館發表亞太表面/界面分析國際會議的特別演講《小之魔力：納米尺度上的科學與技術》（The Magic of Small：Science and Technology on the Nonometer scale）。③2002年10月10日被聘為上海復旦大學名譽教授和先進材料與技術研究院高級顧問，同年11月訪問北京中國科學院物理研究所。④2003年1月28日訪問臺北中央研究院，上午拜訪1986年諾貝爾化學獎得主、中央研究院院長（任期：1994—2006）李遠哲教授，下午在物理研究所發表題為《掃描隧道顯微鏡和納米技術》（STM and Nanotechnology）的專題演講（載2003年1月23日《中央研究院周報》第905期）。⑤為慶祝國家自然科學基金委員會成立20周年，羅雷爾參加了2006年5月25～26日在北京舉辦的“21世紀科學前沿與中國的機遇”高層論壇，27日下午他在北京清華大學理學院報告廳發表題為《小之魔法和力量》（The Magic and Power of Small）的公眾演講。⑥2007年3月8～11日訪問哈爾濱工業大學，10日上午9時在哈工大國際會議中心201報告廳發表題為《小之魔法和力量》的公眾演講。作為清華論壇第8講嘉賓，12日他又在北京清華大學主樓接待廳發表題為《科學——為了人類的福祉》（Science，for the Benefit of Mankind）的公眾演講。⑦2008年1月14日訪問蘭州大學并發表題為《納米技術——可持續世界發展的關鍵》（Nanotechnology，the Key to a Sustainable World）的學術報告。16～18日再度訪問哈爾濱工業大學，17日上午在哈工大逸夫樓[即邵館，由香港影視制作人、娛樂業大亨和慈善家邵逸夫（原名仁楞，Sir Run Run Shaw，CBE，1907.11.19—2014.01.07）先生捐資興建]二樓報告廳進行學術報告。⑧為慶祝相對論誕生100年，“阿爾伯特·愛因斯坦（1879—1955）”首展于2005年6月1日至10月6日在瑞士首都伯爾尼獲得圓滿成功，2010年5月30日此展覽首次登陸中國北京。2010年6月26日14時，由瑞士聯邦政府科技文化中心組織的高端科學系列活動“諾貝爾獎得主講座”在京正式拉開帷幕，由羅雷爾主講的首場講座在中國科技館（CSTM）大報告廳開講，他演講的題目是《從愛因斯坦到納米技術》（From Einstein to Nanotechnology），這是中國科技館開展的“科學講壇”系列講座之一，也是“愛因斯坦展”中國巡展中“對話科學家”的系列講座之一。⑨2010年8月20日自瑞士伍爾勞鎮寓所向在北京國際會議中心召開的第18屆國際真空大會（IVC-18，會期：8月23～27日）發來題為《科學、魔力和激情》（Science，Fascination and Passion）的致辭。2011年4月26日15時在筆者的母校內蒙古科技大學IMUST（其前身是包頭鋼鐵學院，2003年11月起更為現名）學校會堂發表題為《從愛因斯坦到納米技術》的公眾演講[31]。當時與羅雷爾博士一起訪問IMUST的是時任清華大學理學院院長薛其坤院士（1963.12.19—，2005年11月當選為中科院院士，2013年5月起任清華大學副校長）。由薛其坤院士領銜，清華大學和中科院物理研究所聯合團隊歷時4年，在磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，從實驗上首次觀測到量子反常霍爾效應。這一實驗發現證實了此前中科院物理研究所和斯坦福大學理論團隊的預言，被認為是世界基礎研究領域的一項重要科學發現（楊振寧稱該成果具有諾貝爾獎級），此成果于北京時間2013年3月15日凌晨在美國《科學》雜志在線發表。霍爾效應發現于1879年，反常霍爾效應則由美國物理學家霍爾（Edwin Herbert Hall，1855.11.07—1938.11.20）于1880年首先發現。4月28日18 ∶30分羅雷爾博士在杭州浙江大學又對話浙大學子，并在玉泉校區永謙小劇場發表同一題目的公眾演講[32]。同年5月24日他還參加了“2011蓬萊—未來之星”國際研討會（會期：5月21～24日）。2012年3月15日16時做客武漢華中科技大學物理學院第19期博學講堂，在1號樓學術報告廳發表題為《納米技術——可持續發展的關鍵》（Nanotechnology，a Key to Sustainability）的學術演講并受聘擔任該校名譽教授。次日14 ∶30分他又做客武漢大學化學與分子科學學院第40期珞珈講壇，在創隆廳發表題為《從愛因斯坦到納米技術》的講座。這次是羅雷爾第二次來到武漢，1998年4月24日他曾到過著名景點黃鶴樓旅游。

退休前羅雷爾至少還有兩次訪華的經歷：①1993年8月12日羅雷爾和賓尼希在北京人民大會堂受到國家主席江澤民的接見，他們是來北京參加由中國科學院主辦的掃描隧道顯微鏡學（STM）第7屆國際會議的（會期：8月9～13日，首屆STM國際會議于1986年在西班牙圣地亞哥—德孔波斯特拉市舉行），這是首次由發展中國家承辦的STM國際會議[33]。②1995年10月17日《人民日報》報道：美國IBM公司日前向中國科學院化學研究所贈送一臺超高真空掃描隧道顯微鏡，STM發明者之一羅雷爾博士專程到北京參加贈送儀式。據悉，這臺掃描隧道顯微鏡將用于金屬和半導體表面結構和納米科學方面的研究[34]。

7羅雷爾博士所獲主要榮銜

1976年和1984年羅雷爾兩獲IBM杰出貢獻獎（IBM Outstanding Contribution Awards）；1984年賓尼希和羅雷爾同獲歐洲物理學會EPS（European Physical Society）頒發的惠普HP（Hewlett–Packard）歐洲物理學獎（現稱EPS Europhysics Prize，1976年首次頒獎，歐洲凝聚態物理學界聲望最高的獎項），同年他倆還同獲沙特阿拉伯首屆費薩爾國王國際科學獎（King Faisal International Prize for Science）；1985年獲IBM企業獎（IBM Corporate Award）；1987年和賓尼希同獲美國富蘭克林研究所頒發的克勒松金質獎章（Elliott Cresson Gold Medal，1875—1997年頒獎）。

1986年羅雷爾獲得IBM名士（IBM Fellow，始于1963年，截至2013年年底共有246人獲此榮譽）榮譽頭銜（賓尼希于翌年獲得此頭銜），它是IBM公司的最高技術榮銜；1988年當選為美國科學院外籍院士；1990年當選為瑞士物理學會名譽會員；1991年當選為歐洲科學院物理和工程學部院士和瑞士工程師和建筑師協會（Swiss Society of Engineers and Architects，德語縮寫為SIA）會員；1993—2003年任瑞士聯邦理工學院董事會成員；1994年和賓尼希同被載入美國國家發明家名人堂NIHF[National Inventors Hall of Fame，1973年由美國專利商標局USPTO/PTO（United States Patent and Trademark Office）和知識產權法協會全國理事會（National Council of Intellectual Property Law Associations）創設，其博物館位于俄亥俄州的阿克倫（Akron），可授予已故發明家，迄今獲此榮譽者共計487人[35]]；1996年當選為韓國科學技術研究院（KAST）名譽院士；1997—2001年任西班牙國家研究委員會（Spanish National Research Council，1939年11月24日成立于馬德里，西班牙語縮寫為CSIC）高級顧問；1997年起任日本理化學研究所（RIKEN）研究顧問；1998年當選為瑞士技術科學院（SATS）院士；2007—2013年任日本國立材料納米構架國際中心MANA（International Center for Materials Nanoarchitectonics，2007年10月成立于筑波）高級顧問；2008年當選為臺北“中央研究院”名譽院士。

羅雷爾所獲得的主要榮譽博士稱號依次有：①1986年，美國羅格斯大學，DSc；②1988年，法國馬賽大學[Marseille University，2012年馬賽第一大學（即普羅斯旺大學，以人文科學為主）、第二大學（即地中海大學，以理工科學和醫學為主）和第三大學（即保羅·塞尚大學，以經濟管理和法學為主）合并為艾克斯—馬賽大學（Aix–Marseille University）]；③1988年，西班牙馬德里自治大學（Autonomous University of Madrid）；④1994年，日本筑波大學（University of Tsukuba）；⑤1995年，德國法蘭克福歌德大學（又稱法蘭克福大學，The Johann Wolfgang Goethe University，Frankfurt）；⑥2000年，日本仙臺東北大學（Tohoku University）。

2011年5月17日IBM公司在蘇黎世魯希利康創辦了賓尼希和羅雷爾納米技術中心（Binnig and Rohrer Nanotechnology Center）。2013年11月26日，日本表面科學學會SSSJ（Surface Science Society of Japan）聯合IBM公司蘇黎世研究實驗室發起設立海因里希·羅雷爾獎章（Heinrich Rohrer Medal），分為大獎章（Grand Medal）和新星獎章（Rising Medal）兩類，面向全球，每3年頒獎一次。大獎章授予基于表面科學在納米科學和納米技術領域取得杰出成就的研究者，每次一般授予1人，獎金總額為100萬日元（約合1萬美元），若多人獲獎則獎金平分。新星獎章則授予在納米科技領域取得突出成績且年齡不超過37歲（以頒獎年份的1月1日計算）的研究者，每次授予不同研究主題的3人，每人獎金15萬日元（約合0.15萬美元）。首屆羅雷爾獎章獲獎者名單將于2014年7月公布，頒獎儀式將于同年11月2～6日在日本島根縣會議中心舉辦的第7屆表面科學國際研討會ISSS-7（The 7th International Symposium on Surface Science）期間舉行。順便指出，羅雷爾博士生前曾訪問日本多達60余次[36]。

8結束語

實驗物理學家羅雷爾和賓尼希因合作共同發明了掃描隧道顯微鏡（STM），為納米科技的研究奠定了物質基礎，故一起被贊譽為世界“掃描隧道顯微鏡之父”（the father of STM）和“納米技術之父”（the father of nanotechnology）。

謹以此文紀念中國人民的老朋友、凝聚態物理學大師海因里希·羅雷爾博士逝世1周年。

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[31]關于舉辦薛其坤院士、諾貝爾獎獲得者海因里希·羅勒（Heinrich Rohrer）博士學術報告的通知[EB/OL].[2011-04-23].http：//www.imust.cn/html/xuexiaogonggao/20110423/2390.html，2013-06-07.

[32]作者不詳.諾獎得主對話浙大學子：年齡不僅僅是時間概念[J]. 浙江大學學報（醫學版），2011，40（4）：426.

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[34]溫紅彥.IBM公司向中科院贈送掃描隧道顯微鏡[N].人民日報，1995-10-17（第5版）.

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