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？此书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。
作者简介：
张天蓉，女。美国得州奥斯汀大学理论物理博士，现住美国芝加哥。研究课题包括广义相对论、黑洞辐射、费曼路径积分、毫微微秒激光、集成电路EDA软件等。发表专业论文三十余篇。2008年出版科普小说《新东方夜谭》；2010年11月出版悬疑小说《美国房客》。2012年开始，在科学网发表一系列科普博文，其文风深入浅出，趣味盎然，亦保持科学的严谨性，深得读者喜爱。是第六版《十万个为什么》物理卷参编者之一。2013年出版科普读物：《蝴蝶效应之谜:走近分形与混沌》和《世纪幽灵:走近量子纠缠》。
目录：
序言-戴元本
前言
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接触产生奇迹序言-戴元本
前言
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
前言
《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
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。
55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（RobertNoyce）一起创办英特尔公司的戈登摩尔（GordonMoore），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。
|
