1973年诺贝尔物理学奖--隧道现象和约瑟夫森效应的发现
约瑟夫森效应实验报告
一、实验目的1. 理解并掌握约瑟夫森效应的基本原理。
2. 观察并测量直流约瑟夫森效应的电压-电流关系。
3. 分析交流约瑟夫森效应的特性。
二、实验原理约瑟夫森效应是指两个超导体通过一个薄的绝缘层（称为约瑟夫森结）接触时，即使没有外部电压，也能产生超导电流的现象。
这一效应由英国物理学家布赖恩·约瑟夫森在1962年提出，并因此获得了1973年的诺贝尔物理学奖。
约瑟夫森效应分为直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫森效应。
直流约瑟夫森效应描述了超导电流在没有电压作用下通过绝缘层的现象，而交流约瑟夫森效应则描述了在电压作用下产生的超导电流的高频振荡。
三、实验仪器与材料1. 约瑟夫森结样品2. 电流源3. 电压表4. 高频信号发生器5. 示波器6. 低温设备7. 实验台四、实验步骤1. 将约瑟夫森结样品置于低温设备中，确保温度低于超导转变温度。
2. 使用电流源对约瑟夫森结施加直流电流，调节电流值。
3. 使用电压表测量结两端的电压，记录数据。
4. 重复步骤2和3，改变电流值，得到一系列电压-电流数据。
5. 在施加直流电压的情况下，使用高频信号发生器提供交流电压，调节电压值。
6. 使用示波器观察结两端的电压波形，记录数据。
7. 分析直流和交流约瑟夫森效应的特性。
五、实验结果与分析1. 直流约瑟夫森效应实验结果显示，在低温条件下，约瑟夫森结表现出直流超导电流的特性。
当电流低于临界电流时，结两端电压为零；当电流超过临界电流时，结两端出现一个有限的电压，称为约瑟夫森电压。
2. 交流约瑟夫森效应实验结果显示，在施加直流电压的情况下，约瑟夫森结表现出交流超导电流的特性。
电压波形为高频振荡，其频率与施加的电压成正比。
六、实验结论1. 通过实验，我们成功观察并测量了直流和交流约瑟夫森效应的特性。
2. 实验结果与理论预测相符，验证了约瑟夫森效应的基本原理。
3. 约瑟夫森效应在超导电子学、量子技术等领域具有重要的应用价值。
七、实验讨论1. 实验过程中，温度控制对约瑟夫森效应的观察至关重要。
历届诺贝尔物理学奖得主及成就
诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖是1900年6月根据诺贝尔的遗嘱设立的，属诺贝尔奖之一。
该奖项旨在奖励那些对人类物理学领域里作出突出贡献的科学家。
由瑞典皇家科学院颁发奖金，每年的奖项候选人由瑞典皇家自然科学院的瑞典或外国院士、诺贝尔物理和化学委员会的委员、曾被授与诺贝尔物理或化学奖金的科学家、在乌普萨拉、隆德、奥斯陆、哥本哈根、赫尔辛基大学、卡罗琳医学院和皇家技术学院永久或临时任职的物理和化学教授等科学家推荐。
奖项由来诺贝尔生于瑞典的斯德哥尔摩，诺贝尔一生致力于炸药的研究，在硝化甘油的研究方面取得了重大成就。
他不仅从事理论研究，而且进行工业实践。
他一生共获得技术发明专利355项，并在欧美等五大洲20个国家开设了约100家公司和工厂，积累了巨额财富。
1896年12月10日，诺贝尔在意大利逝世。
逝世的前一年，他留下了遗嘱，设立诺贝尔奖。
据此，1900年6月瑞典政府批准设置了诺贝尔基金会，并于次年诺贝尔逝世5周年纪念日，即1901年12月10日首次颁发诺贝尔奖。
自此以后，除因战时中断外，每年的这一天分别在瑞典首都斯德哥尔摩和挪威首都奥斯陆举行隆重授奖仪式。
1968年瑞典中央银行于建行300周年之际，提供资金增设诺贝尔经济奖（全称为瑞典中央银行纪念阿尔弗雷德·伯恩德·诺贝尔经济科学奖金，亦称纪念诺贝尔经济学奖，并于1969年开始与其他5项奖同时颁发。
诺贝尔经济学奖的评选原则是授予在经济科学研究领域作出有重大价值贡献的人，并优先奖励那些早期作出重大贡献者。
颁奖时间每次诺贝尔奖的发奖仪式都是下午举行，这是因为诺贝尔是1896年12月10日下午4:30去世的。
为了纪念这位对人类进步和文明作出过重大贡献的科学家，在1901年第一次颁奖时，人们便选择在诺贝尔逝世的时刻举行仪式。
这一有特殊意义的做法一直沿袭到如今。
评选过程每年9月至次年1月31日，接受各项诺贝尔奖推荐的候选人。
通常每年推荐的候选人有1000— 2000人。
扫描隧道显微镜
实验八 扫描隧道显微镜贾埃弗(I.Gisever)于1961年首先发现了超导体中正常电子的隧道效应，继他之后，江崎玲于奈发现了半导体中的隧道效应以及约瑟夫森(B.Josephson)预言超导体隧道效应中的超流性质，因而他们三人同获1973年度诺贝尔物理学奖。
根据隧道效应对势垒高度和宽度变化十分敏感的特点，宾宁(G .Binning)和罗勒(H.Rohrer)于1982年研制成功了世界上第一台扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,缩写为STM)，为此他俩荣获1986年度诺贝尔物理学奖。
STM 的垂直分辨率和水平分辨率已分别达到0.01nm 和0.1nm ，利用STM 来研究固体表面的原子和电子结构已取得令人瞩目的成果。
由于STM 测试不会对样品表面造成损伤，因此被广泛用来测定材料的物理、化学和生物性质，成为发展纳米材料科学技术的有力工具。
实验目的1． 观测和验证量子力学的隧道效应；2． 学习和了解扫描显微镜的结构和原理；3． 学习扫描隧道显微镜的调试和操作方法，并用它来观察样品的表面形貌；4． 学习用计算机软件处理原始数据和图像。
实验原理1． 隧道效应对于经典物理来说，当一个粒子的动能E 低于前方势垒的高度0V 时，它不可能越过此势垒而被弹回，即透射系数为零。
然而，按照量子力学的计算，在一般情况下，通常其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿越比它的能量高的势垒，这个现象称为隧道效应。
这是由于粒子的波动性引起的，只有在一定的条件下这种效应才会显著（见图1）。
经计算，透射系数02016()E V E T e V -= (1) 可见，透射系数T 与势垒宽度a 、能量差o V E -以及粒子质量m 有着十分敏感的关系。
随着a 的增加，T 将指数衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子穿越势垒的现象。
2． 扫描隧道显微镜（STM ）的工作原理STM 的工作原理是基于量子力学的隧道效应。
南开大学奇妙的材料世界 第八讲 超导材料
阿布里科索夫
京茨堡
莱格特
1957年美国人巴丁、库柏和施里弗提出了 BCS理论 ，微观上解释了超导的机制。标志 着超导电性理论现代阶段的开始 。
1972年获得了诺贝尔物理学奖（3人）
巴丁还因发明世界上第一支晶体管于1956获诺 贝尔物理学奖。
巴丁（左）、库珀、施里弗（右）
1962年英国22岁的约瑟夫森根据“BCS” 理论预言 ，提出了“约瑟夫森效应” 约瑟夫森则获得1973年（33岁）度诺贝 尔物理奖 在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电 流通过，即“电子对”能穿过薄绝缘层 （隧道效应）；同时还产生一些特殊的现 象，如电流通过薄绝缘层无需加电压，倘 若加电压，电流反而停止而产生高频振荡。 这一超导物理现象称为“约瑟夫森效应”。
第七章 超导材料
7.1 超导材料的发展简史
荷兰：卡末林· 昂内斯 (Kamerlingh Onnes，1853-1926 ) 1908年液化了地球上最后一种“永久气体”-氦气，并且 获得了接近绝对零度的低温：4.25K-1.15K 。 它标志着所有物质都可以存在于气液固状态 1911年，发现Hg在4.20K时电阻为0
(3)隧道跃迁-约瑟夫森效应 （Josephson effect ）
超导体－势垒－超导体之间不仅电子对也能够 以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零 的情况下，产生直流超导电流。此现象叫直流 约瑟夫森效应 在势垒两边有一定电压 V0 时，还会有特定频 率的 交流超导电流 存在。 1μV 的直流电压产 生振荡的频率为 483.6 MHz( 该频率称为约瑟 夫森频率 )。这种现象称为交流约瑟夫森效应 。
A
【历届诺贝尔奖得主（六）】1973年物理学奖得主
【历届诺贝尔奖得主（六）】1973年物理学奖得主1973年12月10日第七十三届诺贝尔奖颁发。
物理学奖日本科学家江崎岭于奈因发现半导休中的隧道效应并发明隧道二极管、美国科学家贾埃沃因发现超导体隧道结单电子隧道效应、英国科学家约瑟夫森因创立超导电流通过的势垒的约瑟夫森效应而共同获得诺贝尔物理学奖。
江崎玲于奈1925年3月12日出生于日本大阪，1940年就读于京都第三高等学校，1947年毕业于东京大学。
后进入川西机械制作所工作，进行由真空管的阴极放出热电子的研究工作。
1956年，转入东京通信工业株式会社（现索尼）。
1973年因在半导体中发现电子的量子穿隧效应获得诺贝尔物理学奖。
基本信息江崎玲于奈1925年3月12日出生于日本大阪，1940年就读于京都第三高等学校，1944年进入东京帝国大学，是日本近代著名固体物理学家江，是建筑学家江崎壮一郎的长子。
20世纪50年代，根据理论分析，人们认为在PN结反向击穿的过程中应当能够观测到隧道效应，但实验上一直未能发现。
1957年，江崎玲于奈在研制新型高频晶体管时，意外地发现了高掺杂、窄PN结的正向伏安特性中存在着异常的负阻现象。
通过理论分析，他认为这种负阻特性是由于电子空穴直接穿透结区而形成的，从而为隧道效应提供了有力的证据。
在随后的研究中，他发明了由隧道结制成的隧道二级管。
隧道二极管的发明，开辟了一个新的研究领域——固体中的隧道效应。
研究历程1944年，江崎进入日本东京帝国大学专攻实验物理，1947年获得硕士学位（后来于1959由于研究隧道效应获得博士学位），随即服务于神户工业股份有限公司，开始了作为晶体管材料的锗和硅等半导体的研究，1956年成为东京通信工业股份有限公司（现在的索尼）的主任研究员，领高掺杂锗与硅的研究，这一研究的结果导致了隧道二极管的发明。
所谓“隧道现象”是指电子偶然地穿过其运动方向上的从经典理论观点看来是不可越的能量势垒（不太大）时，会在势垒的另一边发现电子运动的一种波动性的奇怪现象，这在本纪二十年代就已经发现了。
1901至今历届诺贝尔物理学奖得主及小故事
目录1901-1950 (1)1951-1980 (4)1981-2000 (7)2001-2010 (8)2011-2020 (10)2021 (12)独享还是共享？ (13)人选空缺怎么办？ (13)最年轻和最年长的获奖者 (13)史上获两次诺贝尔物理学奖的人 (14)获得诺贝尔物理学奖的华人科学家 (14)作为根据诺贝尔遗嘱设立的五大奖项之一，物理学奖被授予“在物理学领域作出最重要发现或发明的人”，与其他诺贝尔奖相比，物理学奖的荐举和甄选过程更长、更缜密。
诺贝尔物理学奖规则规定，获奖者的贡献必须“已经受时间的考验”。
这意味着诺贝尔委员会往往会在科学发现的数十年以后才会为此颁发奖项。
自1901年设立至今，诺贝尔物理学奖已走过百年历程，记录了物理学发展史上的无数个里程碑，已成为人类文明不可分割的一部分。
1901-19501、1901年：威尔姆·康拉德·伦琴（德国）发现X射线2、1902年：亨德瑞克·安图恩·洛伦兹（荷兰）、塞曼（荷兰）关于磁场对辐射现象影响的研究3、1903年：安东尼·亨利·贝克勒尔（法国）发现天然放射性；皮埃尔·居里（法国）、玛丽·居里（波兰裔法国人）发现并研究放射性元素钋和镭4、1904年：瑞利（英国）气体密度的研究和发现氩5、1905年：伦纳德（德国）关于阴极射线的研究6、1906年：约瑟夫·汤姆生（英国）对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子7、1907年：迈克尔逊（美国）发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究8、1908年：李普曼（法国）发明彩色照相干涉法（即李普曼干涉定律）9、1909年：伽利尔摩·马克尼（意大利）、布劳恩（德国）发明和改进无线电报；理查森（英国）从事热离子现象的研究，特别是发现理查森定律10、1910年：范德华（荷兰）关于气态和液态方程的研究11、1911年：维恩（德国）发现热辐射定律12、1912年：达伦（瑞典）发明可用于同燃点航标、浮标气体蓄电池联合使用的自动调节装置13、1913年：卡末林－昂内斯（荷兰）关于低温下物体性质的研究和制成液态氦14、1914年：马克斯·凡·劳厄（德国）发现晶体中的X射线衍射现象15、1915年：威廉·亨利·布拉格、威廉·劳伦斯·布拉格（英国）用X射线对晶体结构的研究16、1916年：未颁奖17、1917年：查尔斯·格洛弗·巴克拉（英国）发现元素的次级X辐射特性18、1918年：马克斯·卡尔·欧内斯特·路德维希·普朗克（德国）对确立量子论作出巨大贡献19、1919年：斯塔克（德国）发现极隧射线的多普勒效应以及电场作用下光谱线的分裂现象20、1920年：纪尧姆（瑞士）发现镍钢合金的反常现象及其在精密物理学中的重要性21、1921年：阿尔伯特·爱因斯坦（德国）他对数学物理学的成就，特别是光电效应定律的发现22、1922年：尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔（丹麦）关于原子结构以及原子辐射的研究23、1923年：罗伯特·安德鲁·密立根（美国）关于基本电荷的研究以及验证光电效应24、1924年：西格巴恩（瑞典）发现X射线中的光谱线25、1925年：弗兰克·赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律26、1926年：佩兰（法国）研究物质不连续结构和发现沉积平衡27、1927年：康普顿（美国）发现康普顿效应；威尔逊（英国）发明了云雾室，能显示出电子穿过空气的径迹28、1928年：理查森（英国）研究热离子现象，并提出理查森定律29、1929年：路易·维克多·德布罗意（法国）发现电子的波动性30、1930年：拉曼（印度）研究光散射并发现拉曼效应31、1931年：未颁奖32、1932年：维尔纳·海森伯（德国）在量子力学方面的贡献33、1933年：埃尔温·薛定谔（奥地利）创立波动力学理论；保罗·阿德里·莫里斯·狄拉克（英国）提出狄拉克方程和空穴理论34、1934年：未颁奖35、1935年：詹姆斯·查德威克（英国）发现中子36、1936年：赫斯（奥地利）发现宇宙射线；安德森（美国）发现正电子37、1937年：戴维森（美国）、乔治·佩杰特·汤姆生（英国）发现晶体对电子的衍射现象38、1938年：恩利克·费米（意大利）发现由中子照射产生的新放射性元素并用慢中子实现核反应39、1939年：欧内斯特·奥兰多·劳伦斯（美国）发明回旋加速器，并获得人工放射性元素40、1940—1942年：未颁奖41、1943年：斯特恩（美国）开发分子束方法和测量质子磁矩42、1944年：拉比（美国）发明核磁共振法43、1945年：沃尔夫冈·E·泡利（奥地利）发现泡利不相容原理44、1946年：布里奇曼（美国）发明获得强高压的装置，并在高压物理学领域作出发现45、1947年：阿普尔顿（英国）高层大气物理性质的研究，发现阿普顿层（电离层）46、1948年：布莱克特（英国）改进威尔逊云雾室方法和由此在核物理和宇宙射线领域的发现47、1949年：汤川秀树（日本）提出核子的介子理论并预言∏介子的存在48、1950年：塞索·法兰克·鲍威尔（英国）发展研究核过程的照相方法，并发现π介子1951-198049、1951年：科克罗夫特（英国）、沃尔顿（爱尔兰）用人工加速粒子轰击原子产生原子核嬗变50、1952年：布洛赫、珀塞尔（美国）从事物质核磁共振现象的研究并创立原子核磁力测量法51、1953年：泽尔尼克（荷兰）发明相衬显微镜52、1954年：马克斯·玻恩（英国）在量子力学和波函数的统计解释及研究方面作出贡献；博特（德国）发明了符合计数法，用以研究原子核反应和γ射线53、1955年：拉姆（美国）发明了微波技术，进而研究氢原子的精细结构；库什（美国）用射频束技术精确地测定出电子磁矩，创新了核理论54、1956年：布拉顿、巴丁（犹太人）、肖克利（美国）发明晶体管及对晶体管效应的研究55、1957年：李政道、杨振宁（美籍华人）发现弱相互作用下宇称不守衡，从而导致有关基本粒子的重大发现56、1958年：切伦科夫、塔姆、弗兰克（苏联）发现并解释切伦科夫效应57、1959年：塞格雷、欧文·张伯伦(OwenChamberlain)（美国）发现反质子58、1960年：格拉塞（美国）发现气泡室，取代了威尔逊的云雾室59、1961年：霍夫斯塔特（美国）关于电子对原子核散射的先驱性研究,并由此发现原子核的结构；穆斯堡尔（德国）从事γ射线的共振吸收现象研究并发现了穆斯堡尔效应60、1962年：达维多维奇·朗道（苏联）关于凝聚态物质，特别是液氦的开创性理论61、1963年：维格纳（美国）发现基本粒子的对称性及支配质子与中子相互作用的原理；梅耶夫人（美国人.犹太人）、延森（德国）发现原子核的壳层结构62、1964年：汤斯（美国）在量子电子学领域的基础研究成果，为微波激射器、激光器的发明奠定理论基础；巴索夫、普罗霍罗夫（苏联）发明微波激射器63、1965年：朝永振一郎（日本）、施温格、费因曼（美国）在量子电动力学方面取得对粒子物理学产生深远影响的研究成果64、1966年：卡斯特勒（法国）发明并发展用于研究原子内光、磁共振的双共振方法65、1967年：贝蒂（美国）核反应理论方面的贡献，特别是关于恒星能源的发现66、1968年：阿尔瓦雷斯（美国）发展氢气泡室技术和数据分析，发现大量共振态67、1969年：盖尔曼（美国）对基本粒子的分类及其相互作用的发现68、1970年：阿尔文（瑞典）磁流体动力学的基础研究和发现，及其在等离子物理富有成果的应用；内尔（法国）关于反磁铁性和铁磁性的基础研究和发现69、1971年：加博尔（英国）发明并发展全息照相法70、1972年：巴丁、库柏、施里弗（美国）创立BCS超导微观理论71、1973年：江崎玲于奈（日本）发现半导体隧道效应；贾埃弗（美国）发现超导体隧道效应；约瑟夫森（英国）提出并发现通过隧道势垒的超电流的性质，即约瑟夫森效应72、1974年：马丁·赖尔（英国）发明应用合成孔径射电天文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究；赫威斯（英国）发现脉冲星73、1975年：阿格·N·玻尔、莫特尔森（丹麦）、雷恩沃特（美国）发现原子核中集体运动和粒子运动之间的联系，并且根据这种联系提出核结构理论74、1976年：丁肇中、里希特（美国）各自独立发现新的J/ψ基本粒子75、1977年：安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究76、1978年：卡皮察（苏联）低温物理领域的基本发明和发现；彭齐亚斯、R·W·威尔逊（美国）发现宇宙微波背景辐射77、1979年：谢尔登·李·格拉肖、史蒂文·温伯格（美国）、阿布杜斯·萨拉姆（巴基斯坦）关于基本粒子间弱相互作用和电磁作用的统一理论的贡献，并预言弱中性流的存在78、1980年：克罗宁、菲奇（美国）发现电荷共轭宇称不守恒1981-200079、1981年：西格巴恩（瑞典）开发高分辨率测量仪器以及对光电子和轻元素的定量分析；布洛姆伯根（美国）非线性光学和激光光谱学的开创性工作；肖洛（美国）发明高分辨率的激光光谱仪80、1982年：K·G·威尔逊（美国）提出重整群理论，阐明相变临界现象81、1983年：萨拉马尼安·强德拉塞卡（美国）提出强德拉塞卡极限，对恒星结构和演化具有重要意义的物理过程进行的理论研究；福勒（美国）对宇宙中化学元素形成具有重要意义的核反应所进行的理论和实验的研究82、1984年：卡洛·鲁比亚（意大利）证实传递弱相互作用的中间矢量玻色子[[W+]],W-和Zc的存在；范德梅尔（荷兰）发明粒子束的随机冷却法，使质子-反质子束对撞产生W 和Z粒子的实验成为可能83、1985年：冯·克里津（德国）发现量子霍耳效应并开发了测定物理常数的技术84、1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜85、1987年：柏德诺兹（德国）、缪勒（瑞士）发现氧化物高温超导材料86、1988年：莱德曼、施瓦茨、斯坦伯格（美国）产生第一个实验室创造的中微子束，并发现中微子，从而证明了轻子的对偶结构87、1989年：拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在原子钟中的应用；德默尔特（美国）、保尔（德国）发展原子精确光谱学和开发离子陷阱技术88、1990年：弗里德曼、肯德尔（美国）、理查·爱德华·泰勒（加拿大）通过实验首次证明夸克的存在89、1991年：皮埃尔·吉勒德－热纳（法国）把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中90、1992年：夏帕克（法国）发明并发展用于高能物理学的多丝正比室91、1993年：赫尔斯、J·H·泰勒（美国）发现脉冲双星，由此间接证实了爱因斯坦所预言的引力波的存在92、1994年：布罗克豪斯（加拿大）、沙尔（美国）在凝聚态物质研究中发展了中子衍射技术93、1995年：佩尔（美国）发现τ轻子；莱因斯（美国）发现中微子94、1996年：D·M·李、奥谢罗夫、R·C·理查森（美国）发现了可以在低温度状态下无摩擦流动的氦同位素95、1997年：朱棣文、W·D·菲利普斯（美国）、科昂·塔努吉（法国）发明用激光冷却和捕获原子的方法96、1998年：劳克林、霍斯特·路德维希·施特默、崔琦（美国）发现并研究电子的分数量子霍尔效应97、1999年：H·霍夫特、韦尔特曼（荷兰）阐明弱电相互作用的量子结构98、2000年：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克·基尔比（美国）发明集成电路2001-201099、2001年：克特勒（德国）、康奈尔、卡尔·E·维曼（美国）在“碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基本性质研究”方面取得成就100、2002年：雷蒙德·戴维斯、里卡尔多·贾科尼（美国）、小柴昌俊（日本）“表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献，其中包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙Ｘ射线源”方面的成就。
1973年诺贝尔物理学奖——隧道现象和约瑟夫森效应的发现
1973年诺贝尔物理学奖——隧道现象和约瑟夫森效应的发现1973年诺贝尔物理学奖一半授予美国纽约州约克城高地（YorktownHeights）IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈（Leo Esaki，1925—），美国纽约州斯琴奈克塔迪（Schenectady）通用电器公司的贾埃沃（IvarGiaever，1929—），以表彰他们分别在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现；另一半授予英国剑桥大学的约瑟夫森（BrianJosephson，1940—），以表彰他对穿过隧道壁垒的超导电流所作的理论预言，特别是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象。
江崎玲於奈1925年3月12日出生于日本大阪的一个建筑师家庭里，1938年，江崎进入同志社中学，三年后父亲去世。
江崎自幼就表现出对科学的浓厚兴趣，喜欢阅读科学家传记故事，立志要作像爱迪生和马可尼那样的发明家，小时自己动手制作电动火车和汽车模型。
1940年，他以优异成绩越级进入京都第三高等学校。
1944年初提前毕业。
同年10月，江崎进入东京帝国大学攻读实验物理。
在大学期间，为维持生计勤工俭学，做晚间家庭教师。
他认真学习了数学和物理课程，并自学物理学专著。
1947年，江崎获硕士学位，有机会进入神户工业股份有限公司研究真空管热电子发射现象。
他由此接触到固体表面物理化学性质和真空管材料技术。
由于这项研究与强外电场作用下的冷金属表面电子发射现象有关，他对固体中的隧道效应发生了兴趣。
1950年，他转入对半导体材料和晶体管的研究。
这时，晶体管刚刚发明。
1956年江崎辞去神户公司的工作转入索尼公司。
在索尼公司领导了一个小组对半导体二极管内电场发射机理进行研究。
这项研究主要考查窄宽度p－n结的导电机制。
p-n结中内电场分布取决于杂质的分布。
当时许多研究者都把提取含杂质少的高纯半导体材料当作目标，而江崎选择了相反的路线，他尝试制备高掺杂的锗p－n结器件。
1957年初江崎首先获得了掺有高浓度杂质的锗精制单晶体做成了薄p－n结。
穿墙而过不是梦！——神奇的量子隧道效应
穿墙而过不是梦！——神奇的量子隧道效应波粒二象性使微观粒子表现出许多在宏观世界里看起来不可思议的现象，隧道效应就是其中之一。
崂山道士的故事被我们当作笑话来看，但是，在量子世界里，因为有隧道效应，穿墙而过不再是什么难事，很容易就能做到。
借助隧道效应，人们发明了扫描隧道显微镜，不但“看见”了一个个原子，而且实现了移动、操控原子的梦想。
10.1 隧道效应：穿墙而过不是梦在讲隧道效应之前，我们先来看一个小实验。
如图10-1所示，假设有一条像山坡一样高低起伏的滑道，滑道上有一个小球，二者之间没有任何摩擦力。
如果我们让小球从A点出发滑落，而且出发时速度为零，那么小球最高能到达哪一点呢？这太简单了，根据能量守恒定律，我们知道小球的势能会转化成动能，然后动能再转化成势能，最后会到达高度与A点相同的B点，如此往复运动。
如果我问你，这个小球会出现在D点吗？你一定会说，绝对不可能，因为C点是一座无法翻越的大山。
或者说，C点是一个能量很高的势垒，小球没有足够的能量来翻越它。
对于经典粒子来说，的确是这样的。
但是，如果这条滑道缩小到原子尺度，而小球是一个电子的话，上述结论就不成立了。
量子力学计算表明，从A 点出发的电子有明显地出现在D 点的概率，就像是从一条隧道中穿越过去的一样，这就是量子隧道效应，它是微观粒子波粒二象性的体现。
总结一下，如果微观粒子遇到一个能量势垒，即使粒子的能量小于势垒高度，它也有一定的概率穿越势垒，这种现象就叫隧道效应。
隧道效应又称势垒贯穿，是一种很常见的量子效应。
也就是说，崂山道士的故事在量子世界里是很平常的，一点都不稀奇。
当然，对于不同的情况，粒子在势垒外出现的概率大小是需要通过薛定谔方程仔细计算的。
在一般情况下，只有当势垒宽度与微观粒子的德布罗意波长可比拟时，势垒贯穿的现象才能被显著观察到。
如果势垒太高或太宽，隧穿的可能性就会变得很小。
用量子隧道效应能部分地解释放射性元素的α 衰变现象。
α 衰变是从原子核中发射出α 粒子（氦原子核）的一种放射性现象。
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1973年诺贝尔物理学奖——隧道现象和约瑟夫森效应的发现1973年诺贝尔物理学奖一半授予美国纽约州约克城高地（YorktownHeights）IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈（Leo Esaki，1925—），美国纽约州斯琴奈克塔迪（Schenectady）通用电器公司的贾埃沃（IvarGiaever，1929—），以表彰他们分别在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现；另一半授予英国剑桥大学的约瑟夫森（BrianJosephson，1940—），以表彰他对穿过隧道壁垒的超导电流所作的理论预言，特别是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象。
江崎玲於奈1925年3月12日出生于日本大阪的一个建筑师家庭里，1938年，江崎进入同志社中学，三年后父亲去世。
江崎自幼就表现出对科学的浓厚兴趣，喜欢阅读科学家传记故事，立志要作像爱迪生和马可尼那样的发明家，小时自己动手制作电动火车和汽车模型。
1940年，他以优异成绩越级进入京都第三高等学校。
1944年初提前毕业。
同年10月，江崎进入东京帝国大学攻读实验物理。
在大学期间，为维持生计勤工俭学，做晚间家庭教师。
他认真学习了数学和物理课程，并自学物理学专著。
1947年，江崎获硕士学位，有机会进入神户工业股份有限公司研究真空管热电子发射现象。
他由此接触到固体表面物理化学性质和真空管材料技术。
由于这项研究与强外电场作用下的冷金属表面电子发射现象有关，他对固体中的隧道效应发生了兴趣。
1950年，他转入对半导体材料和晶体管的研究。
这时，晶体管刚刚发明。
1956年江崎辞去神户公司的工作转入索尼公司。
在索尼公司领导了一个小组对半导体二极管内电场发射机理进行研究。
这项研究主要考查窄宽度p－n结的导电机制。
p-n结中内电场分布取决于杂质的分布。
当时许多研究者都把提取含杂质少的高纯半导体材料当作目标，而江崎选择了相反的路线，他尝试制备高掺杂的锗p－n结器件。
1957年初江崎首先获得了掺有高浓度杂质的锗精制单晶体做成了薄p－n结。
他发现这种薄p－n结的正向电阻特性没有变化，但反向电阻却呈直线下降趋势。
随后，江崎增大了掺杂浓度，使结宽进一步变窄。
当浓度达到1018cm-3以上时，p－n结的施主和受主浓度都高到使结两侧呈简并态，费米能量完全占据了整个导带或价带内部。
江崎发现，在这种隧穿路程极短的情况下，所有温度条件下都可以观察到负阻现象。
负阻现象所对应的电压远低于人们熟知的击穿电压。
江崎用量子力学理论令人信服地证明了这正是人们长期以来所寻找的隧道效应，这项研究确立了隧道效应在半导体材料中的存在。
接着，江崎利用这种半导体p－n结中的隧道效应研制出一种新型半导体器件——隧道二极管。
这种二极管具有独特而优异的反向负阻特性，可在开关电路、振荡电路、微波电路以及各种高速电路中获得广泛应用，成为现代电子技术中最重要的器件之一。
正是这项贡献使江崎于1973年获得诺贝尔物理学奖。
1958年，江崎进一步研究了硅、锑化铟、砷化镓、砷化铟、碲化铅、碳化硅等金属氧化物半导体材料的p－n结，证实它们也有类似的负阻特性。
用这些材料制成了多种隧道二极管。
70年代，江崎在研究砷化镓等材料的周期性超晶格结构时，指出这些材料的负阻效应的工作频率上限远高于当时已知的任何半导体器件，为后来微波、毫米波、亚毫米波电子学发展提供了制作器件的切实依据。
江崎研究硅隧道二极管时，精确分析了隧穿电流，揭示了材料的电子状态，说明了隧穿电子与势垒中的声子、光子、等离子体量子甚至分子类振动模式之间的相互作用。
这些对隧穿物理机制的研究，开创了一门新兴学科——隧穿波谱学。
1959年，日本东京大学授予江崎理学博士学位。
1960年，江崎迁居美国，任国际商用机器公司（IBM）中央研究所研究员。
江崎与贾埃沃共享1973年诺贝尔物理学奖的一半。
他们都是由于隧道现象的研究，江崎由于发现了半导体中的隧道现象，而贾埃沃则因为发现了超导体中的隧道现象。
贾埃沃1929年4月5日出生于挪威的卑尔根（Bergen），并在那里受教育。
1954年他以一名机械工程师的身份移民到了加拿大，进入加拿大通用汽车公司。
1956年他参加工程师培训班，到美国纽约州通用电气研究所，与该所的电气实验室签订了6个月的合同，负责有关热流的研究项目。
就在这段期间，贾埃沃注意到这个实验室里还有一个研究课题是有关固体物理学的，这个课题对他更有吸引力，于是在合同期满时转到了这个小组。
同时，贾埃沃还在一所工科学院选修高级物理课程。
这一阶段的学习对他后来的工作有相当重要的影响。
这个固体物理小组中有一位物理学家名叫费希尔（J.Fisher），曾对薄膜中的电子的特性作过研究。
根据BCS理论可以证明，在超导体中有能隙禁区存在，如果把具有禁区能量的电子注入超导体，这些电子就会受到禁区的排斥。
费希尔认识到这一结论的重要性，极力主张以实验予以证明。
贾埃沃就成了他的合作者。
从一开始，费希尔和贾埃沃利用朗缪尔膜研究薄膜性质。
他们试图把金属电极安放在单分子层的两侧并测试其间的电导，但是这个实验太复杂，也不很可靠，他们不得不放弃。
随后他们转而采用铝-氧化铝-铝薄膜做了一系列实验，研究电流、电压与膜厚及温度的关系。
实验表明，通过阻挡层的电流是由于电子隧道效应引起的。
经过一年的努力工作，贾埃沃不仅学到了物理学的有关理论，而且很好地掌握了有关实验技术。
1959年底，费希尔的工作重点转移到别的领域，贾埃沃开始独立地开展研究。
铝-氧化铝-铝薄膜的温度很低时，可以观测到一种特殊的效应，铝在低温时是超导体，也许这一效应正是超导电性的一种表现。
于是自然会想到，如果把这种薄膜放到低于1.2K 的极低温观测，应该会有明显的效应。
可是贾埃沃拒绝了这个建议。
他认为大部分电阻来自阻挡层，如果只是金属的电阻消失不会使阻挡层的电流发生如此大的变化。
如果仔细研究以前一系列的实验结果就会发现，贾埃沃的论点是太荒谬了。
然而这并不奇怪，在当时贾埃沃根本不知道超导体中在费米能级处有能隙。
甚至在一开始时他连江崎发现了半导体隧道效应都不知道。
作为只有一年经历的物理学工作者，他不可能像受过常规训练的物理学家那样知道早该知道的一些事。
在他周围的固体物理学家也没有向他提醒要注意超导能隙这一基本概念。
1960年初，人们再次提出把结合膜的温度降低到超导转变温度之下，这时，贾埃沃正好在超导课程中学到了能隙概念。
他立刻联想到，有可能存在隧道电流效应。
他把自己的想法告诉费希尔等人。
费希尔认为能隙不一定有这么重要，因为它太小了。
不过，他们主张贾埃沃不妨试试。
贾埃沃用铝-氧化铝-铅结合膜作实验，因为铅在7.2K就会成为超导体。
最初的两次实验失败了，因为样品的氧化层太厚。
第三次实验，他不是仔细地氧化第一层铝条，而是简单地把它放在空气中暴露几分钟，再放回蒸发台去沉积交叉的铅膜。
这一方法做成的氧化层大约只有3×10-9m厚，所以，很容易就用现成的设备测出电流电压特性曲线。
所得结果正是预期的隧道效应。
贾埃沃立即用不同的样品重复这个实验，都毫无例外地出现了隧道效应。
对于超导电性，按照BCS理论，超导电流是由电子对构成的。
1957年。
巴丁、库珀和施里弗建立了超导微观理论（也叫BCS理论）成功地解释了超导体的各种性质。
这个理论的关键在于库珀提出的电子对概念。
应该说，BCS理论的重要成果之一就是导致了约瑟夫森效应的发现。
但是约瑟夫森作出发现的直接起因还是由于受到贾埃沃发现超导体隧道效应的激励。
约瑟夫森1940年1月4日出生于英国威尔士的加迪夫（Cardiff）。
1960年在剑桥大学三一学院获学士学位。
1962年，约瑟夫森正在英国剑桥大学当研究生。
他从理论上作出预言，对于超导体-绝缘层-超导体互相接触的结构（也叫S-I－S结构），只要绝缘层足够薄，超导体内的电子对就有可能穿透绝缘层势垒，导致如下效应：（1）在恒定电压下，既有直流超导电流产生，也有交流超流，其频率为2eV/h；（2）在零电压下，有直流超流产生，这一电流对磁场非常敏感，磁场加大，电流将迅速减小；（3）如果在直流电压上再叠加一交流电压，其频率为v，则会出现一零斜率的电阻区，在这个区域内电流有傅里叶成分，电压V与v的关系为2eV/h＝nv（其中n为整数）。
约瑟夫森作出上述惊人的理论预测不是偶然的。
因为早在30年代就已有迹象表明超导隧道效应的存在。
例如，霍尔姆（R.Holm）和迈斯纳（W.Meissner）就曾从实验得出如下结论：当两金属变成超导体时，两金属间的接触电阻就会消失。
1952年迈斯纳的学生迪特里希（I.Dietrich）重复作了类似实验。
他在钽（Ta）表面覆以TiO2或CeO2薄层，再以Ta为试探电极接触。
他测量了其间的电流，发现在某温度下电阻消失。
但是当时人们无法理解这些实验结果的普遍意义。
1958年江崎宣布发明了隧道二极管，这件事大大激励了人们对隧道效应的注意。
正好这时BCS理论提出，一度被搁置的隧道效应到了彻底研究的时候了。
前人的探索和BCS理论的指导使约瑟夫森对S-I-S超导结的行为作出了正确的数学分析。
他在1973年和贾埃弗与江崎共获诺贝尔物理学奖。
在领奖演说词中他回忆自己的发现经过。
讲道：“当我作为研究生在皮帕德（B.Pippard）教授指导下在剑桥皇家学会蒙德实验室工作期间，一系列的事情导致了隧道超导电流的发现。
当研究生的第二年（1961年—1962年），我们有幸去参观了安德森（P.W.Anderson）教授的实验室。
他对隧道超导电流课题已作出了重大贡献，其中包括许多未发表的结果，这些结果我后来也独立地推出过。
在剑桥的讲座中，他介绍了在超导体中‘破缺对称性’这个新概念……，我被破缺对称性的思想深深地吸引住了，思索在实验上是否有任何对它进行观测的方法……。
”“接着我得悉贾埃弗的隧道实验。
……皮帕德考虑过一个库珀对隧道贯穿绝缘势垒的可能性，正如贾埃弗做过的，但是他认为两个电子同时穿越的几率太小，以至于不能观测到任何效应。
这个似是而非的论点现在知道是不正确的，然而它却使我的注意力转到了另外一种可能性，即通过势垒的正常电流可以因相位差而改变……。
”“有一天，安德森给我看了他刚刚收到的从芝加哥寄来的预印本。
在这篇文章中，柯恩（M.H.A.Cohen）、法利可夫（L.M.Falicov）和菲利普斯（J.C.PhillipS）计算了流入超导-势垒-正常金属组成的系统的电流，肯定了贾埃弗公式。
”约瑟夫森立即开始把这种计算推广到势垒两边都是超导的情况，得到的结果为I＝I0(V)＋I1＇(V)cos(△φ)＋I1(V)sin(△φ)此处V为两个超导区的电势差，△φ为位相差，其中“第一项对直流电流有贡献，结果与贾埃弗的预计一致”，第二项正是约瑟夫森所期望的，然而“第三项完全没有料到”。