量子、能带、晶格、玻色子、自旋、费米子、霍尔效应、凝聚态、拓扑绝缘体……描述和探索这些概念、理论的发生与发展！

法拉第、特斯拉、赫兹、郎道、肖克利、霍尔……解读这些大师们的科学工作及趣闻轶事！

张天蓉编著的《电子电子谁来拯救摩尔定律》内容丰富，从法拉第的电磁感应实验到半导体晶体管、磁盘储存系统，再到近年来新发展起来的自旋电子学和拓扑绝缘体，这两百多年来与电磁有关的物理学和技术的发展在书中都有叙述。其中既有许多著名物理学家和发明家的丰功伟绩和趣闻轶事，也有对一系列、有时是颇为深奥的物理规律的解释。

什么原因造成了摩尔定律的危机？谁来拯救它？电子技术背后有哪些物理理论？相关的物理学家们当前在研究些什么热门课题？他们的研究成果能延续摩尔定律吗？电子在半导体中是怎样舞蹈的？张天蓉编著的《电子电子谁来拯救摩尔定律》将带你走近与此有关的物理及工程领域，从回顾半导体以及电的历史开始，到三只脚的魔术师—晶体管的发明；从原子模型的历史演化，到热门的自旋电子学研究，一直到目前的纳米技术以及凝聚态中的前沿进展，诸如量子霍尔效应、拓扑绝缘体，等等。

第一章：点石成金

 1.1 法拉第初识半导体

 1.2 敏感的半导体

 1.3 猫胡子侦测器

 1.4 闪电大师特斯拉

 1.5 点石成金

第二章：独立特行的电子

 2.1 原子模型的变迁

 2.2 能带论-为电子造房子

 2.3 倒格子空间

 2.4 布洛赫波和布里渊区

 2.5 电子如何分房入住？

 2.6 接触产生奇迹

 2.7 三条腿的魔术师

第三章：电子自旋舞

 3.1 巨磁电阻效应

 3.2 自旋登上舞台

 3.3 自旋电子学

 3.4 与磁共舞

 3.5 自旋转移力矩

 3.6 几个简单自旋器件

第四章：霍尔圆舞曲

 4.1 朗道的故事

 4.2 物质的千姿百“相”

 4.3 霍尔效应大家族

 4.4 量子霍尔效应

 4.5 洗澡水中的小孩

 4.6 拓扑绝缘体

附录

 附录A：费米子和玻色子

 附录B：布拉菲格子、布拉格衍射、布洛赫波、布里渊区

 附录C：周期势场中的能带

 附录D：电磁势和规范变换

 附录E：拓扑简介

 附录F：纤维丛和陈类

参考文献

1.4 闪电大师特斯拉

物理教材中，经常提到Tesla的地方是在电磁学中，度量磁感应强度的一个单位（T）。它的来源是为了纪念美籍塞尔维亚电气工程师尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856-1943）。

过去，人们对特斯拉的故事所知不多。几年之前，这个快要被遗忘了的天才突然不知被哪个媒体发掘出来，成了众人心中的科技之神。特斯拉坎坷的一生本来就颇具传奇性，加上近几年来被文学艺术人士及传媒界极力渲染，蒙上了许多神秘色彩。有人把他描述成一个具有特异功能的超人，甚至怀疑他是来自外星球的高等生物，又怀疑地球上发生的许多神秘事件，都与他的研究有关……等等，这些古怪离奇的说法，实在太吸引眼球了。然而，不管特斯拉是人还是神，他的发明创造及研究范围大多与“电”有关。尽管当时“电子”这个小东西，作为个体还没有被人见到它的“庐山真面目”，但特斯拉却紧紧抓住了这群隐藏神秘舞者露出的闪亮尾巴。我们的闪电大师翻云覆雨、挥洒自如，让电子尚未露面就先为人类大跳它们的交流电集体舞，带给世界光明和能量。因此，在继续探索半导体之前，让我们为这个伟大的发明家写上一节，脱去神秘外衣，还其科学本质！

1.为电而生

著名的美国发明家爱迪生（1847-1931）的名字家喻户晓。他超过一千多项的发明专利，无时无刻不在造福于人类。家家户户都有的电灯泡，就是最简单而普通的例证。

有人说，如果没有爱迪生，也许人类还只能用烛光照亮黑夜。

但也有人说，如果没有爱迪生，还有特斯拉呢，特斯拉才是上帝派给人类的普罗米修斯，电气电子之神！

还有人会说，即使没有爱迪生和特斯拉，还会有别的什么人啊，人类社会是一定会向前发展的，是时势造英雄，而不是英雄造时势！

历史没有如果。在无线电通信和电力系统发展的过程中，我们既有爱迪生，又有特斯拉，上帝给人类派来了两位伟大的发明家。

在爱迪生9岁的那一年，尼古拉·特斯拉，随同一道闪电来到了人间。

三岁时，特斯拉用手抚摸他的宠物猫，突然看到一道细微闪光穿过手掌与猫之间，随即给手上带来一阵奇怪的麻感。父亲告诉惊魂未定却又固执不停地问“Why？”的儿子，那是电，和天空打雷时一样的电！小特斯拉心里想：和打雷闪电一样！难道天地宇宙是一只大猫吗？如果是一只大猫，又是谁在抚摸它呢，是上帝吗？太多的疑问，纠结着这个不停思考的孩子。从此，电这个名字，深深地刻在了特斯拉的脑海中；从此，孩童和少年时代的特斯拉经常出现幻觉，眼中总是看到火花电光闪烁一片。  父亲希望他将来做牧师，特斯拉却暗暗立志，要毕生研究电！直到特斯拉染上了霍乱，这一场大病动摇了父亲有关儿子未来的信念，成就了特斯拉的梦想，从此，特斯拉与电结下不解之缘。

从用旋转磁场的方法改进马达，而发明交流感应电动机、发电机，到后来，创造第一台无线电遥控机、发明推广交流电体系、发明特斯拉线圈、制造人工闪电、研究全球无线供电系统，特斯拉的大部分发明专利，都与电有关，他不愧为是电气化领域的先驱，是一个为电而生的天才。

2.电流大战

1884年，特斯拉带着他的美国梦，从巴黎来到纽约，一路上钱和车船票全被小偷偷掉了，口袋里只剩下4美分，他慕名而投靠到已经大名鼎鼎的爱迪生门下。

两年前，爱迪生，这个新泽西门罗公园的奇才，用他的白炽灯泡和华莱士的直流发电机，第一次点亮了曼哈顿！

那是1882年6月17日的晚上，万籁俱寂、悄夜无声，天上几点星光闪烁，曼哈顿富人区的仆人们正在慢慢地、一盏一盏点亮家中的蜂蜡蜡烛和煤油灯。突然，位于36街麦迪生大道上的意大利式摩根豪宅，二百多只灯泡同时亮了起来，宝石一般柔和明亮的灯光，像奇迹一样，照亮了这位开明的华尔街金融大亨新家的每个角落！

之后，爱迪生的直流供电系统从曼哈顿向各地延伸，人们为新技术的成功而欢呼雀跃的同时，也被它带来的危险和不便所困惑和惊吓。

比如，JP摩根的邻居布朗太太，受不了摩根家地下室里发电机运转时震耳欲聋的声音，还有那种整栋房屋都跟着发抖、震荡摇晃的恐怖感觉；路人们也抱怨那些成天往外冒着讨厌浓烟的蒸汽机污染了空气；更为可怕的是，还经常发生些小小的电力灾难，因短路而造成起火和触电、进而死人的危险性，让人们对这个新技术既爱又怕、耿耿于怀。

这时，正好来了个特斯拉，爱迪生称他为 “我们的巴黎小伙子”。

爱迪生立刻发现这个塞尔维亚裔的年轻古怪工程师是个很有用的人才，便委以重任，让他去改良很不完善的直流供电设备，并口头承诺5万美元的奖赏。特斯拉兢兢业业地工作，不到一年就设计出了24种不同的机器来取代旧机器。但是当他向爱迪生提到承诺的奖金时，得到的却是爱迪生轻飘飘的一句话：“啊，你太不懂我们美国式的幽默！”

还不仅仅如此，特斯拉当时太天真了，实际上，他连周薪从18美元涨到25美元都很难争取到，却异想天开地指望爱迪生会给他几万美元的奖金，这不是天方夜谭吗？

更令特斯拉不快的是，爱迪生的公司里，没有一个人，愿意接受他关于交流电的看法和建议。要知道，特斯拉早在几年前的学生时代，就在脑袋中完成了有关交流感应发电机的构想，他是带着他的交流之梦来找爱迪生的！但是，正如历史屡屡证实的，技术的发展并不只与技术本身有关。市场的走向、商业的运作、公司的发展、投资者的利益，诸多的因素掺杂其中。历史总是周期性的重复和类似。20世纪末21世纪初，世界上演了一场互联网大战。而在100多年之前，特斯拉和爱迪生之间则曾经有一场“电流大战”。

爱迪生当然不会接受特斯拉有关交流电的突发奇想，特别那时正是他的直流供电系统蒸蒸日上的时候，爱迪生本人也已经因此而腰缠万贯，变成了一个众星捧月式的名流。

在爱迪生的公司里，特斯拉实现不了他的交流电之梦，又被爱迪生不遵守承诺而激怒。因此，特斯拉一气之下便辞职离开了爱迪生公司。当然，为自己鲁莽仓促的决定，特斯拉付出了沉重的代价，他一、两年的生活全靠体力劳动支撑，直到连特斯拉的工头都发现，这个塞尔维亚年轻人不仅仅是一个普通的认真干活的工人，起码能算是一个有经验的工程师吧，甚至像是一位电学专家。因此，工头把他介绍给自己认识的大人物。终于有一天，特斯拉有了重圆电子梦的机会，他在自由街87号有了他的第一个电气实验室，他开始研发早就在脑海里完成多次的整套交流供电设备！

在特斯拉为贫困所趋到处打工的时日里，交流电和直流电之战已经悄然而起，这场战争是从来自匹兹堡的乔治·威斯汀豪斯（Westinghouse）的交流电公司侵犯到爱迪生的供电市场而开始的。

乔治·威斯汀豪斯（George Westinghouse, Jr.，1846-1914），是美国著名的实业家、发明家，西屋電氣创始人。1888年7月底，特斯拉带着交流电方面的多项专利，正式加盟威斯汀豪斯，使其与爱迪生的电流之战达到白热化。

P18-22

每个人都知道，今天的世界和50年前完全不一样。这不同主要表现在哪里？如果让你用两个字来概括这50年中的差异的话，恐怕大多数人会说出“信息”这两个字。的确是如此，今天的世界中，有恢弘无际的网络，漫天飞舞的电磁波，还有多到要爆炸的信息，它们充满了世界的每个角落，随时可闻、无处不在。50年前有关通信的诸多梦想，如今都已成为现实。这一切用一句话来概括：人类迈入了信息社会。然而，是什么在支撑着这个信息社会呢？毋庸置疑，是近年来蓬勃发展、如日中天的各种高科技技术。其中包括各类计算机技术、软件、网络、通讯、信息、人工智能、云计算……不胜枚举。而在这些形形色色、五花八门的技术后面，又有一个最基础和最重要的，那就是集成电路技术。

年前，第一个半导体集成电路问世，由此而为半导体产业带来了革命性的变化，也从而才加速了各类技术的发展进程。1965年，与集成电路发明人之一罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）一起创办英特尔公司的戈登·摩尔（Gordon Moore），提出了著名的摩尔定律。他预言：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，而集成电路的性能（计算能力）也将提升一倍。

几十年来，集成电路的演进似乎的确遵循着摩尔预言的这种指数规律。但是，仅仅依靠工程技术的演化，不可能将这种发展速度永远继续下去。近年来，摩尔定律面临挑战，遭遇瓶颈，集成电路在进一步发展的道路上，碰到了难以解决的问题。

集成电路的基础材料是半导体，其工作机制是默默隐藏于它背后、鲜有人知的物理原理。换言之，是基于量子理论而建立起来的固体物理理论，赋予了集成电路技术那种“体积不断缩小、速度不断加快”的超级能力。电子技术几十年来的突飞猛进是根源于物理学中量子理论的成功。而如今，怎样才能挽救摩尔定律呢？可以用上中国人的一句老话：解铃还须系铃人。还是得回到基本物理的层面上，才有可能克服摩尔定律的瓶颈问题。

读了上面的文字，喜欢思考的你可能会冒出一大堆问题：什么物理原因造成了摩尔定律的危机？谁来拯救它？电子技术背后有哪些物理理论？相关的物理学家们当前在研究些什么热门课题？他们的研究成果能延续摩尔定律吗？

与电子技术同行，物理学也走过了它半个世纪的辉煌历程，当研究者们从工程界再转过头来回顾基础物理研究时，同样感到大吃一惊。物理学家们半个世纪的努力，正在初现端倪。上世纪中，前50年物理学的两个重大革命成果：量子力学和相对论，正在被后50年以及新世纪十几年中越来越多的实验结果和天文观测现象所证实。理论物理学的研究方向，除了一如既往地“上穷碧落下黄泉”，追寻时空尺度极大和极小两个极端之外，也朝着复杂性的方向发展。这其中，混沌理论和凝聚态物理便是典型的例子。

五十年之前，集成电路刚出现的时候，其中大多数利用的是半导体物理的知识。五十年后，从半导体物理及固体物理发展起来的凝聚态物理更引起了专家们的关注。特别是凝聚态实验中发现的大量新型材料、各类性质奇特的物态、以及对常温下超导超流的研究，更是激发起人们对新功能材料无限的遐想和憧憬，为电子技术的变革开启了大门。

科学技术发展的历史证明，技术领域的危机往往是科学研究的契机。如前所述，集成电路的发展碰到了困难，而凝聚态物理研究中层出不穷、令人眼化缭乱的新成果、新物态，却有可能为电子技术发掘出优越的新型材料，从而解决工程技术的困难，挽救摩尔定律。

无论是工程上使用的半导体材料，还是凝聚态物理研究中形形色色的量子物态，电子运动的模式都在其中起着至关重要的作用。电子，这个美妙的舞者，按照量子力学的规律，在微观世界里跳着各种奇特的舞蹈！那么，你是否想了解：电子在半导体中是怎样舞蹈的？在不同量子态中，又如何才能充分发挥电子的更多、更奇特的内禀属性，比如自旋，让电子跳出更美妙、更有实用价值的舞蹈来？

为此，本书作者将带领你探索这些问题的答案，将带你走近与此有关的物理及工程领域。从回顾半导体的历史，以及电的历史开始，到三只脚的魔术师—晶体管的发明；从原子模型的历史演化，到热门的自旋电子学研究，一直到目前的纳米技术以及凝聚态中的前沿进展：诸如量子霍尔效应，拓扑绝缘体等等，本书中都有精彩的介绍。。

第一章主要是回顾历史；第二章则以固体中的能带论为主线，描述电子如何在费米能级附近舞蹈，从而从物理角度解释半导体器件的工作原理；第三章介绍近年发展的自旋电子学；第四章则讨论凝聚态物理中的各种量子霍尔态。

本书既讲科学，也说技术。既聊历史，也谈现状。既介绍科学家们所作的工作，也侃他们的趣闻轶事和个性生平。它不仅仅是一本限于物理学的科普书，而是横跨了科学和技术多个领域。它不仅讲解电子器件，也深刻剖析其中的工作原理。既有半导体及凝聚态物理的历史，也有这些领域最新的发展状况。在讲述电子学历史的过程中，又介绍这些发现发明背后隐藏的物理。此外，也介绍了近年来各种纳米新材料的基本概念、有趣性质，以及它们的应用和前景。

电子技术及物理科学的大门敞开着，等待年轻人的参与，但愿这本书能带你轻松入门。

《电子，电子！谁能拯救摩尔定律》是作者的第三本科普著作。她的著作有一个共同特点，都能把趣味性、易读性与物理学的严谨性很好地结合起来。与多数科普著作相比较，她的书包含更多对物理规律的描述，给读者以直观的解释又不会产生误解。

——戴元本 中国科学院院士