发布时间 : 星期日 文章20世纪物理学各个分支发展概况更新完毕开始阅读
心理和生理声学的新发展
耳声发射是人的内耳自发的或受到激发时产生的微弱声音的现象，对这种现象的研究热忱一直持续不减。用高灵敏度的微型传声器在外耳道测量耳声，发现这种耳声反映了耳蜗内的非线性过程。在美国通过7000个新生儿的临床试验，研究用耳声作为准确快速测定听力损失的可能性。近年来关于性别和激素对耳声发射的影响的研究得到了重要的结果，这些结果可能会有助于揭示发育过程中脑分化的一般过程。在人类听力的行为学研究方面包括人头部效应的声传递函数正在形成更接近实际的虚拟听觉环境。这种传递函数是空间中的声源到人耳的频率相应（滤波器特性）；其中人耳部分主要由外耳形成，因此是因人而异的。虽然采用人类 的平均的传递函数已经可以改善声的录放质量，但人们更喜欢采用自己特殊的传递函数。第一个采用这种技术的家庭音响设备已经出现。心理声学的其他热点包括内部相关的听觉分析，声音和声源的分隔，听觉注意力的选择性等。人类如何从同时发声的多个声源中区分有用的和无关的声音，一直是一个令人困惑的问题。最近许多新的研究成果，包括一些计算模型反映了我们对这个问题的认识已经有了很大的进步。
高强度聚焦超声
多年来声学工作者一直在努力证明超声诊断使用的低能量超声没有或只有微不足道的生物效应，因此对于人体是安全的。现在潮流发生了变化。超声治疗的研究者有意增大超声的能量以产生有益的生物效应。人们发现，高强度聚焦超声能在一分钟内使受创的器官和大血管止血（超声止血）。治疗所用的超声的能量大约比诊断超声的每平方厘米0．1瓦的能量大4个数量级，达到每平方厘米 10 000瓦。这样强的超声波主要会产生两种效应。
（1）热效应使温度升高到60°C以上，使细胞和组织凝固坏死。虽然其他一些能量也能产生热效应，像激光，电流和高温熨烫，但是超声的独特优点是可以在组织内部产生热效应，使人体内部器官的受伤部位受到烧灼，达到止血的目的，例如用于内出血病人的止血。
（2）机械效应是超声所独有的，对它的研究还刚刚开始。超声辐射压产生的体积流能改变血流流动，也许可以使血液流回血管，从而在手术中改善手术视野，或加强事故现场的抢救能力。大声压振动产生的组织乳化可以封闭器官的伤口和堵塞血管的破口。这些均匀组织实际上包含了大量不均匀的小结构，从而使凝固和止血的过程加快几个数量级。
高强度聚焦超声的止血方法可用于手术和外伤两种场合。手术时可以把拟切除的部分预烧灼（无血切除），也可以用于一般的止血目的。外伤的应用包括在事故现场和转移过程中对病人的止血，超声方法能够减少出血，改善其后的外伤手术的效果。而在手术中高强度聚焦超声可以再次应用。在不久的将来声学止血将成为一个有效的保持肢体和生命的方法。
新千年的半导体物理学
过去的成就
近半个世纪以来半导体物理学受到了关注，基本上开始于晶体管的发明，导致1956年授予Bardeen，Brattain，Shockley诺贝尔奖。在50和60年代已对硅体材料的性质作了细致的验证，且在当今社会的现代信息技术革命中硅材料仍然是巨大的微电子工业材料转为生产的硬件基础，不过当今涉及硅技术子领域的研究已没有太多半导体物理学的问题。对硅基微电子学发展的需要，现在主要依赖于交叉学科材料的研究，且与含有很宽范围各类材料用于集成电路块的制造时的工序步骤密切有关。
大约30年前，随着半导体二极管激光器得到验证，光电子学开始成长，兴趣的高涨始于适合光学器件的直接带隙Ⅲ一V材料结构。半导体结构中的隧穿现象也被人们所了解，其重要性由1973年的诺贝尔奖而得到公认。新的纳米薄层生长过程的发明——特别是分子束外延（MBE）和金属有机化学汽相淀积 （MOCVD）——已被证明是发展新的半导体结构必不可缺少的技术。人们发现量子阶（QW）结构有利于光发射体，因而低维（wt3）半导体结构新的物理学研究得以深入开展。大约从10年前开始，在生长一维
和零维半导体纳米结构的领域内引起巨大的兴趣，而且连续繁荣至今。
由于硅基金属氧化物半导体（MOS）晶体管结构技术的不断完善使得详细去研究限定在硅与二氧化硅界面间几纳米宽三角势的准二维电子气（ZDEG）的性质成为可能。人们立刻在直接能隙体系中发明了类似的结构，例如具有限定在两种半导体间异质结准二维电子气的高电子迁移率晶体管（HEMT）。GaAIAs/GaAs异质结成为大量感兴趣的准二维电子气研究的典型结构。量子霍尔效应（QHE）的基本发现出现在1970年，且在1985年授予K．von Klitzing诺贝尔奖而被确认。
在过去10年期间，半导体二维电子在高磁场下的行为成为一个极具基本兴趣的子领域而得到了发展。复合玻色子或费米子粒子特征的概念包含分数电荷和附加磁通量量子，从而提供了对二维电子气输运实验中所观测到的分数量子数的解释。这是基础物理学迷人的领域，尽管主要的思想是十多年前提出的，而如今却吸引了很多物理学工作者。实验也被提炼用以直接证明分数电荷。在这领域一流的进展是1998年给予R．Laughlin和H．Stormer物理学诺贝尔奖的荣誉。在很高磁场下，二维电子气中电子的维格纳（Wigner）凝聚似乎出现。
先进的器件结构
半导体物理学的历史上曾经探索过很多先进的器件结构。近来，具有强激子一光子耦合和光子限定的微腔中激子的性质在很多材料体系中加强了研究，从而揭示了新的物理学与半导体和光子学两者有关。对微脏器件的关注也形成了高潮，微脏器件即：组合载流子控制与光子控制的器件。垂直微腔激光器已在实验室得到了证明且期待其降低激光器的阈值和提高速度，这是值得考虑的应用兴趣且不仅仅在快通讯应用上。在光发射二极管的应用方面，微腔结构的优越性是由于光子容易从这样的结构逃逸，从而具有高得多的外量子效率。这种器件1999年已有商业产品。
在固体光学方面，最近一个感兴趣的进展是光子晶格。到目前为止在金属体系中更长波段（微波）基本已进行了实验方面的研究，但最近有可能实现和研究在半导体体系中的二维光子晶格，其光子带隙在电子带隙范围内。这些体系潜在的可能兴趣在于将来光半导体器件的光子控制，诸如：微腔光源和集成光电子结构等。
动力学性质
十多年来半导体的另一方面迅猛的发展是在一个很短时间标度（飞秒和皮秒）的动力学性质。这对其电子能态的分布能按希望来裁剪的量子结构尤为重要。人们能够在实时中去研究涉及不同电子态间干涉的相干振荡，且在飞秒时间标度上观测与此振荡有关的红外光1012赫兹（THZ）的发射。在半导体体系中现在能在实时观测量子相干。非线性现象在这个时间区域内是很强的，有望在未来器件中应用。在这体系中自旋动力学的发展也在实时进行了研究。最近证明了自旋输运能直接地受监控，有望发展自旋电子学。其他的应用包括最近在飞秒时间标度上光发射研究的进展，让表面的电子过程得到实时研究，包括例如在半导体表面结构的弛豫现象。半导体结构中弹道输运的实时研究也得到了证明，例如在硅集成电路中实现了从光瞬态测量直接地监控非常快的热载流子的输运。
缺陷研究
没有其他类的凝聚态像半导体对缺陷如此敏感。缺陷和杂质在很大程度上支配着电子性质，值得注意的如电导类型，载流子复合和载流子迁移率。对浅杂质的了解相当早，而对能隙中深的电子态的了解变得更为困难。这些缺陷是很重要的，因为它们在很多器件中影响载流子的复合。70和80年代期间发展了实验方法用以测量这些缺陷相关的性质包括对它们的指认。对不同类型缺陷的电子结构总图象和激发态现在已有相当的了解，而缺陷的电子结构的理论计算通常却是相当困难，且在能隙中相关能级位置的精度通常不好于 0．5 eV。缺陷形成能量的计算精度可能在 leV以内，这有助于区分在一种特殊材料中究竟是什么缺陷占优。缺陷的振动能量可被论断表示为很高的精度，这是通过这种局域缺陷模式激发的红外数据比较中认证缺陷的很重要方法。电子自旋共振方法最近的进展强烈地趋向于使用比微波高得多的频率，从而对缺陷的认证提供了很有用的工具。半导体缺陷物理学的领域最近因此而成熟，可是新材料仍然引起缺陷研究的竞争。
表面性质
过去10年中表面特性技术的发展很强劲，特别是在一些很重要的新技术发明之后，用具有原子分辨「扫描隧穿显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等技术，1986年授予G．Binning和H．Rohrer诺贝尔奖」的技术让人们探测得到表面特性的几何结构和存在的表面势。这些技术已应用于帮助人们了解表面过程，其中外延生长是很重要的。原位反射比的测量也让人们得到以一个原子层的分辨本领来监控实时逐层的生长。这是目前原位减速和生长控制仪器的强劲发展。外延生长现今已能精确地加以监控，且不同的生长模式均能用理论模型预先模拟。
纳米尺寸结构
含有半导体材料的纳米结构正如上所述，提供了一个迷人的领域，十多年来至今已占据半导体物理学的一个大分数。特别是一维量子线和零维量子点结构现在已能用改进的技术来生长。新技术的发明产生了具有纳米尺度特征的材料，与此连在一起的是新技术的发展和使用，用具有纳米分辨的显微镜和光谱仪会表征纳米结构的独特特征。一个例子是用高分辨透射电子显微镜（TEM）直接测量晶格中原子距离的精度，现趋于0．01 urn。用近场光谱仪在光学测量中可获得高空间分辨。
在这领域中部分的进展是与其他方面凝聚态物理学密切联系的，其纳米尺寸结构的研究正在深入开展，例如金属中量子输运的研究工作。在半导体中看到一些类似的效应，而且同时用电和光（近场光谱学）的方法探测和研究单电子转移过程。最近研究了半导体量子点的库仑阻断过程。一个活跃的方面是对电输运数据的噪声研究，这与超小体系中电荷结构的基本涨落有关。另一个感兴趣的课题是用光测量和电输运两者证明了一个单缺陷的单电子过程。通过扫描隧穿显微镜在半导体表面上也直接可见到单个点缺陷。与此相应的是在分子晶体中对单分子光谱学的研究。
未来展望
过去十年来尽管对体材料半导体性质的研究兴趣有所下降——这个领域是相当成熟的——最近在宽带隙半导体的子领域出现了复苏，值得注意的是碳化硅（SIC）和Ⅲ一V族氮化物。在这些材料体系中关键性的成功发展是晶体生长技术的最近重要进展。碳化硅的最近发展是由于功率器件和高温器件重要应用的强劲力所驱动。预见碳化硅功率器件的生产在十年内将在大范围内取代硅的应用。 Ⅲ一V氮化物和碳化硅代表一个不平常类型的直接能隙半导体，它们极其能承受粗糙的环境和极端的工作条件。其感兴趣的物理性质出现在强应力皿一氮化物多层结构中，不过大多数物理问题仍都还在探索中。特别感兴趣的是这些材料用于光学器件可覆盖紫外到红外间整个区域。建立在InGaN/GaN量子阶基础上的紫色激光器已经上市，预期将满足家用电子学和光数据储存变革的需要。数字DVD系统已在出售，将导致储存密度在音频、视频和数据应用上十倍的增加。光发射体的其他重要应用是以光发射二极管（LED）为基础的通常照明，有可能取代今日的白炽灯和董光管。发展的驱动力将是提高这些新光源的可靠性（100年寿命），而且在装卸或生产中无有害于环境的影响。
对这些新半导体的其他方面感兴趣的应用是高频功率器件，应用于例如将来频率为 10GHZ以上卫星通讯上的功率放大器。推测十年内移动电话通讯将从今日的以无线电频率为基础扩展到卫星通讯而且使用高得多的频率。
Ⅲ一氮化物已经成功地实现了光发射器件并开始强劲的发展：用外延技术在外来衬底上准备低缺陷密度的多层器件结构，例如在图形异质结衬底上用侧向外延覆盖生长。这已被证明是生产紫色激光器的有用方法，其可行的工作寿命大于1万小时。从更宽广长期的前景看，可能的成果是用具有低缺陷密度的新半导体材料，实际上是在任意所希望的衬底上生长复杂的器件结构。很大的工业上的兴趣是显而易见的，因为现在通常衬底的费用是包含新半导材料的器件发展的障碍。一个首要的例子是金刚石，虽具有优秀的半导体性质，但经过过去10年的艰苦工作在外延衬底上迄今还没有对金刚石可行的生长步骤。侧向外延覆盖生长技术的惊人突破，可望在今后20年内用于许多新的半导体材料。
我们期待着很多测量技术在不远的将来，向着更高更高的空间分辨本领竞争。现在发展方向上一个例子是用磁共振技术对单原子过程实现将光学的高分辨和电学测量组合在一起的抱负，这种技术能感受单电
子或核的自旋量子。一类迷人的新尖端研究工具是能在原子分辨本领上测量半导体样品不同的物理参数，估计在10到20年内对实验工作者可能有效。不仅研究半导体表面作用，同时涉及各种不同传感器的应用以及半导体器件过程技术的发展对许多研究领域而言都将是至关重要的。通常当物理样品的维数降低，对表面和界面性质的关注将随着增长。
如上所述，在基础半导体物理学会议的菜单上，介观物理学和纳米结构现今占优。当更多的材料体系被探索而且纳米样品（如量子点列阵）的完整性和均匀性得以很大地提高时，确实将有更多令人关注的发现来到这个领域。我们保守地估计10年内将有许多新的迷人的纳米尺寸半导体器件被证明，其基础物理学将特别受到关注。应该特别指出的是这些纳米结构的很多性质对很宽范围的材料包括金属、半导体、绝缘体等是类似的，从而导致这个研究领域强劲的交叉学科特征。在大尺度上将纳米结构半导体材料（具有几纳米尺寸的特征）用于器件的可能性仍然不确定。对一些器件性质改进的预言，即为了移入工业生产需去发展用以确保先进的工序步骤迄今仍不明确，然而在这方面就基础物理学观点而言的首要兴趣是显而易见的。
新千年的磁学
引言
100年前，人们对磁性材料的性质还未了解，而后仅能发现其中很少的一部分，即铁、钻。镍强磁性及其少量的氧化物。虽然安培在19世纪就已经指出，环流电流产生磁偶极矩，这已被证实：如有常规电流作用在铁上，可观测到在铁内产生磁化，并能容易地将铁熔化。1919年 van Leeuwen在论文中对磁学认识的不能令人满意的状态做了总结，他指出，一个用经典力学描述的带电的粒子体系在热平衡态是不具有磁性的，这与观测到的特性相矛盾。
量子特性
磁性本质上是物质的量子特性，到量子力学出现前，认识上几乎不可能有进展。首先，量子力学提供了在没有耗散电流存在下如何形成原子或电子偶极矩的一个解释。其次，泡利不相容原理和非对称电子波函数的建立，认识到交换力是使磁偶极矩互作用而产生磁结构。这个力依赖于电子磁矩，并大大强于经典磁偶极互作用，后者根本不可能使铁中的微观磁矩排列。
作为这些成就的结果之一是，现在对一些磁性材料的微观特性有了较好认识。丰富多彩和复杂的磁结构和特性有了巨大的扩展，因此，现在具有非常多样特性的磁性材料有好几千种。研究的进展显示出一些例子，即更深入的微观认识会直接导致材料在应用上的改进。也许不那么显而易见，这个进步也导致了实验技术的发展，现在，它在日常应用中已远超出了原来在磁性和磁性材料中的应用。磁性材料的研究也对显示合作用行为体系的认识的进展起了决定性作用。相变的实验研究使得标度理论能用来研究早期的宇宙，金融市场和薄膜的制备，以及在无序磁体的工作现已引导出大脑和人工思维机制的新模型。因篇幅很小，只能简短地讨论少数例子，而不可能去评述所有重要的发展。
现在我们知道，一个材料是否具有强磁性、取决于不同相互作用间的竞争。首先看原子尺度，在具有磁矩的原子中，各个电子的磁矩趋于平行。这发生于当量子力学的交换能大于不同原子态之间的动能和势能的差异。实际上这意味着这些电子必须是处于未填满的原子能级中。
在固体中，化学成键需要电子。对大多数磁原子，未满壳层上所有排列起来的电子都趋于化学成键，这些成键态都被磁矩相等而方向相反的成对电子占据。否则就有可能出现强磁特性。当原子内未满壳层上的电子被禁止成键时，在此壳层外的电子参加化学成键，则也将发生强磁性。在周期表的3d，4f和5f壳层会优先出现强磁性，以及大多数强磁材料含有一种或几种未满壳层的原子。
一旦在固体中有了磁性原子，作用在近邻原子磁矩上的交换作用将与所谓的晶场效应发生章争。后者源于磁性原子的非球对称性且具有各向异性电子云。当此类原子处于固体内时，晶体中每个原子的静电能依赖于电子云的相对取向和近邻原子的位置。这会降低电子运动的自由度，以及因原子形状和磁矩之间存在耦合，晶体中的原子磁性可能与自由电子很不同，甚至它们可变为非磁性。