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[8月25日]科学历史上的今天——赫伯特·克勒默(Herbert Kroemer)

[8月25日]科学历史上的今天——赫伯特·克勒默(Herbert Kroemer)

科学
1928年8月25日,赫伯特·克勒默(Herbert Kroemer)出生于德国魏玛。他发明漂移晶体管、率先提出异质结在半导体中的应用,提出双异质结激光的概念,还是分子束外延技术的先行者。

克勒默的父亲是公务员,母亲是家庭主妇,都来自技术工家庭。父母未受过高等教育,但希望孩子能获得最好的教育。1947年克勒默进入耶拿大学学习物理学,曾听过弗里德里希·洪德(Friedrich Hund)的课。在柏林时,他给很多西德大学写信,但都没有收到回复。他耶拿大学的教授说“代我向哥廷根的克尼斯教授问好吧。”当时物理系的录取已经结束,于是克尼斯教授安排克勒默与里夏德·贝克(Richard Becker)聊天,后来还转给了沃尔夫冈·保罗(Wolfgang Paul)。这其实是一次考试,保罗提问:“镜子会左右翻转?为什么不上下翻转?”之后克勒默被告知贝克录取的两个学生不来了,他们会选择替补。过了几天,克勒默收到一张明信片,被告知已被录取。

克勒默从贝克研究所的客座教授绍特(Fritz Sauter)那里获得一个论文题目,进一步研究威廉·肖克利(William Shockley)1939年论文中的一维势能的表面态。克勒默研究了两种不同周期势能的交界,这就是今天我们知道的异质结的带偏移(band offsets)。

克莱默在一次报告约翰·巴丁(John Bardeen)关于晶体管物理原理时,回答了听众几个开放性问题,绍特建议他可以直接开始博士课题,关于在刚被发明的晶体管空间电荷层中存在的热电子效应。当时人们对锗(Germanium)一无所知。他发现,要在体半导体中出现布洛赫振荡是不可能的,因为会出现负差分电导率。20年后,当江崎玲於奈(Leo Esaki)等人在超晶格中发现负差分电导率。当时,他并没有意识到这一现象有用,直到两年后和肖克利私下交流后才明白。1952年,他从哥廷根大学获得理论物理博士学位。

克莱默得益于绍特的研究方法。绍特指导学生,一般是在一旁看着学生随他们自己兴趣喜好做研究。但每次克莱默拿出一个纯物理想法,绍特就会说“可是,克莱默先生,你应该可以用数学来表述它。”而当克莱默拿给他数学推导时,绍特会说:“可是,克莱默先生,这只是数学,物理在哪里?”几次以后,克莱默就学会了对一个想法的来回斟酌。但归根到底,概念还是比数学表达重要,后者只不过是工具手段。这种研究态度,克莱默在贝克和肖克利身上都有发现。


毕业那年,德国的就业机会并不好。克勒默幸运地获得德国联邦邮政中央通讯实验室的工作。他的工作职责是解决所有人遇到的理论问题,主动了解同事的实验与技术工作,寻找自己能做出贡献的相关课题。 每一两周,他要给同事开一两个小时的课,讲讲他们可能会需要的理论。克勒默选择的研究课题是晶体管的频率极限以其可能的应用。这个问题直接带他到了对异质结的研究上。


1954年,克勒默前往美国,在RCA实验室和瓦里安联合公司(Varian Associates)工作。1968年至1976年,他任科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado at Boulder)电子工程系教授。


1976年,克勒默来到加州大学圣巴巴拉分校后,将研究重心从理论转移到了实验。他说服加州大学圣巴巴拉分校的电子和计算机工程系,将有限资金投入到新出现的化合物半导体技术,而非主流硅基技术,这决定了后来加州大学圣巴巴拉分校在该领域的领导地位。70年代末,他率先开始分子束外延(MBE)研究。他先是制造和研究了新的合成材料,如磷化镓(GaP)和硅基层上的砷化镓,1985年后又将注意力集中到合成材料砷化铟(InAs), 锑化镓(GaSb)和锑化铝(AlSb),并将基础研究和未来元件开放相结合,其中一项重要的研究课题是超导半导体混合结构,另一个研究方向是强电场下半导体内电子的传输,形成太赫兹振荡器等。


90年代末,克勒默又转向纯理论工作,并开创了一些新的研究领域,如光子晶体中的电磁波传播,纳米结构物理学等。


2000年,克勒默和若雷斯·阿尔费罗夫(Zhores Alferov)因将半导体异质结构发展应用于高速光电子元件中,与发明集成电路的杰克·基尔比(Jack Kilby )分享了2000年诺贝尔物理学奖。


克勒默和查尔斯·基泰尔(Charles Kittel)合著的教科书《热力学》(Thermal Physics)1980年出版,至今仍在许多大学使用。



资料来源:
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2000/kroemer/biographical/

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