大公报2000-12-24

 　　被囚禁的电子和未来的电子学器件

 　　把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内﹐或者在一根非常细的短金属线内﹐线的宽度只有几个纳米﹐会发生十分奇妙的事情。

 由于颗粒内的电子运动受到限制﹐原来可以在费米动量以下连续地具有任意动量的电子状态﹐变成只能具有某些动量值﹐也就是电子动量

 或能量被量子化了。自由电子能量量子化的最直接的结果表现在﹐当在金属颗粒的两端加上电压﹐电压合适时﹐金属颗粒导电﹔而电压不

 合适时﹐金属颗粒不导电。这样一来﹐原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内就不再成立了。还有一种奇怪的现象﹐当金属

 纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时﹐金属颗粒具有了负电性﹐它的库仑力﹐足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内﹐切断了

 电流的连续性﹐这使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件﹐所谓单电子器件。单电子器件的尺寸很小﹐一旦实现﹐把它

 们集成起来做成计算机芯片﹐计算机的容量和计算速度不知要提高多少倍。然而﹐事情可不是像人们所设想的那么简单。起码有两个方面

 的问题向当前的科学技术提出了挑战。实际上﹐被囚禁的电子可不是那么「老实」﹐按照量子力学的规律﹐有时它可以穿过「监狱」的

 「墙壁」逃逸出来﹐一方面在新一代芯片中似乎不用联机而相关联在一起﹐当然﹐需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路。另一方

 面也会使芯片的动作不可控制。归根结底﹐在这一世界中电子应被看成是「波」而不是一个粒子。所以尽管单电子器件已经在实验室里得

 以实现﹐但是真是要用在工业上﹐还需要假以时日。

 　　囚禁冷却的原子和「原子激光」

 　　不像电子﹐原子在室温下都有强烈的扩散运动﹐打开一瓶香水﹐整个房间会闻到香味。因此﹐要囚禁原子﹐首先要把它们的温度冷却

 到绝对零度附近﹐一般要求到十万分之一至百万分之一开尔文。这时原子的热运动十分弱﹐在三个方向上用激光照射被冷却的原子﹐原子

 将停留在激光电场波动的谷内。实验上已经可将成千上万个原子囚禁在一个很小的范围内。有趣的是所有的原子还具有同样的动量。如果

 将它们发射出来﹐这一束原子具有与激光一样的性质﹐即空间和时间的相干性。人们正在思考如何利用这束原子「激光」。初步认为在通

 信和物质探索上会有重要的应用。

 　　纳米加工技术和「小鸟卫星」

 　　为了研究纳米科学和应用纳米科学的研究成果﹐首先要能按照人们的意愿在纳米尺寸的世界上自由地剪裁﹑安排材料﹐这一技术被称

 为纳米加工技术。实际上﹐一方面纳米加工技术是纳米科学的重要基础﹐另一方面纳米加工技术中包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科

 学问题。比如说﹐在一粗细为几纳米的孔或线里﹐原子的扩散就和宏观世界里的扩散大不一样。一般而言﹐原子运动的自由程为几个微米

 ﹐在此长度上﹐原子发生碰撞﹐进行热扩散器壁的作用可忽略不计。可在纳米孔或线内﹐原子的扩散主要靠与孔壁的碰撞来完成的。再举

 一个例子﹐一般认为物体之间相互运动时的摩擦力主要来源于物体表面的不平整性﹐即物体表面越光滑﹐它们之间的摩擦力就越小。在纳

 米世界里﹐材料表面很小﹐相互之间距离很近﹐以至于使两块材料表面上的原子会发生化学键合而产生对相互运动的阻力。因此﹐在纳米

 世界内﹐所有的加工都必须在原子尺寸的层面上考虑。纳米加工﹑技术可以使不同材质的材料集成在一起﹐它既具有芯片的功能﹐又可以

 探测到电磁波﹑光波﹙包括可见光红外线﹑紫外线等﹚信号﹐同时还能完成计算机的命令。如果将这一集成器件安装在卫星上﹐可以使卫

 星的重量大大地减小。当前人们已经在考虑用「小鸟」卫星部分地代替现有的卫星系统。如果在卫星上用纳米集成器件﹐小鸟卫星将更小

 ﹐更容易发射﹐成本也更便宜。