馮·克利津（又譯馮·克利青Klaus von Klitzing, 1943-）因發(fā)現量子霍爾效應，獲得了1985年度諾貝爾物理學(xué)獎?；魻栃?879年美國物理學(xué)家霍爾研究載流導體在磁場(chǎng)中導電的性質(zhì)時(shí)發(fā)現的一種電磁效應。此效應廣泛地用于半導體。百年后的1980年，克里津從金屬―氧化物半導體場(chǎng)效應電晶體中發(fā)現了量子霍爾效應。

人物成就

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者

克里津1943年6月出生，1962年進(jìn)入德國布朗許瓦格技術(shù)大學(xué)學(xué)習物理，1972年在維爾茲堡物理學(xué)所獲得博士學(xué)位。1980年，他到德國慕尼黑技術(shù)大學(xué)任教，1984年出任德國馬克斯―普朗克學(xué)會(huì )固體研究所所長(cháng)。 2004年3月，馮·克里津（K． v． Klitzing）博士應邀來(lái)華，在位于北京的中德科學(xué)研究中心為公眾作了題為《物理學(xué)與計量學(xué)——從商代的長(cháng)度計量單位到量子霍爾效應的應用》的科普報告。從4000多年前中國商代的長(cháng)度和重量的計量單位到古埃及和印度用于計量時(shí)間的日規、水表，他講述了計量學(xué)演化的過(guò)程，以及量子霍爾效應在確定新計量單位中的應用前景。

霍爾效應

霍爾效應是1879年美國物理學(xué)家霍爾（Edwin Hall）研究載流導體在磁場(chǎng)中導電的性質(zhì)時(shí)發(fā)現的一種電磁效應。他在長(cháng)方形導體薄片上通以電流，再沿電流的垂直方向加上磁場(chǎng)，然后發(fā)現在導體兩側與電流和磁場(chǎng)均垂直的方向上產(chǎn)生了電勢差。這個(gè)效應后來(lái)被廣泛應用于半導體研究。1980年，馮·克里津從金屬-氧化物-半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)發(fā)現了一種新的量子霍爾效應。他在硅MOSFET管上加兩個(gè)電極，再把這個(gè)硅MOSFET管放到強磁場(chǎng)和極低溫下，發(fā)現霍爾電阻隨柵壓變化的曲線(xiàn)上出現了一系列平臺，與這些平臺相應的霍爾電阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整數1，2，3……。也就是說(shuō)，這些平臺是精確給定的，是不以材料、器件尺寸的變化而轉移的。它們只是由基本物理常數h(普朗克常數)和e(電子電荷)來(lái)確定。

量子霍爾效應

量子霍爾效應是繼1962年約瑟夫森效應發(fā)現之后又一個(gè)對基本物理常數有重大意義的固體量子效應。它是20世紀以來(lái)凝聚態(tài)物理學(xué)和有關(guān)新技術(shù)(包括低溫、超導、真空、半導體工藝、強磁場(chǎng)等)綜合發(fā)展加上馮·克利青創(chuàng )造性的研究工作所取得的重要成果。

貢獻理論

計量學(xué)

計量學(xué)是研究測量的科學(xué)，它是科學(xué)知識的獲取和應用等許多人類(lèi)活動(dòng)的重要基地，重量和長(cháng)度的法定體系是調節貿易的基本標準。英國物理學(xué)家、熱力學(xué)第二定律的建立者開(kāi)爾文勛爵曾經(jīng)說(shuō)：“當你能夠對所說(shuō)事物進(jìn)行測量并用數字表達時(shí)，你對它就有所認識了?！?/p>

不同的時(shí)間計量單位

大自然為人類(lèi)提供了不同的時(shí)間計量單位。至少在5000年前，巴比倫人與埃及人就已經(jīng)開(kāi)始用日、月、星辰測量時(shí)間。他們制定歷法，組織協(xié)調居民活動(dòng)和公眾事件，更重要的是決定播種與收成的時(shí)間。他們的歷法基于三種自然循環(huán)：地球自轉所產(chǎn)生的晝夜周期（日）；月球繞地球公轉的朔望周期（月）；地球繞太陽(yáng)公轉的四季周期（年）。而身體的重量和長(cháng)度則成為古代人們的計算長(cháng)度和重量基準。

古代的時(shí)間計量方法

在古代，月亮的盈虧比季節的變遷更為明顯，因此低緯度社會(huì )所發(fā)展出來(lái)的歷法受到月亮周期的影響要大于太陽(yáng)。在較北的地區，由于農業(yè)與季節的關(guān)系密切，于是太陽(yáng)年就格外重要。當羅馬帝國往北延伸后，羅馬歷法的組成大部分以太陽(yáng)年為基礎。在古埃及人的歷法中，每月有30天，一年有12個(gè)月，再加上額外的五天以逼近太陽(yáng)年。他們發(fā)現每隔365天，天狼星就會(huì )在日出之前升起，有12個(gè)星宿橫跨星空，這時(shí)尼羅河就要開(kāi)始泛濫。由于古埃及人認為12星宿的出現意義重大，促使他們發(fā)明一種系統，將黑夜分成12個(gè)單位，后來(lái)白晝也同樣分成12等份。為了計量一天時(shí)間的變化，古埃及人又發(fā)明了日規，利用太陽(yáng)長(cháng)度或角度的變化來(lái)將白天分成不同部分，即小時(shí)；夜晚則用水鐘中流出的水量來(lái)測量晚上的時(shí)間。在今天印度的齋浦爾，還保留有高精確度的日規，從18世紀開(kāi)始的沙漏計時(shí)就是來(lái)源于水鐘計時(shí)的原理。

計量長(cháng)度和重量

那么，人們怎樣計量長(cháng)度和重量呢？早在4000多年前的中國，夏代開(kāi)國之祖夏禹就以自己身體的長(cháng)度和重量作為計量的標準。古埃及王以曾以自己身體各個(gè)部位的長(cháng)度作為計量單位。在英文中，“足”與長(cháng)度計量單位“英尺”是同一概念，都是由foot來(lái)表示的，因為歐洲的人們是用足的長(cháng)度來(lái)作為長(cháng)度計量單位的。但是不同的“足”有不同的“英尺”，200多年前，德國的每一個(gè)城市都有自己的“足”所確定的“英尺”，柏林的“英尺”最長(cháng)，為39．09厘米，海德?tīng)柋さ摹坝⒊摺弊疃?，只?7．86厘米，當時(shí)的德國有40多個(gè)不同的“英尺”單位。

用“地球”統一計量單位

不同的計量單位帶來(lái)了交易和兌換的種種麻煩，人類(lèi)為統一計量單位作了種種努力。2200多年前，中國的秦始皇建立了中國歷史上第一個(gè)大一統的封建國家，他最重要的一項貢獻就是在一個(gè)國家的范圍內統一了度量衡和文字。那么，能不能制定一個(gè)可以讓全世界各個(gè)國家都可以接受的全球計量單位呢？科學(xué)家發(fā)現，地球就是標準計量單位的理想參照系。

1790年8月，法國科學(xué)院提出應統一全世界的計量單位，法國科學(xué)家創(chuàng )建了“米制”，它以經(jīng)過(guò)巴黎地球子午線(xiàn)的四千萬(wàn)分之一作為長(cháng)度單位，定名為米；以米的十分之一長(cháng)度的立方作為容量單位，定名為“立特”（升），以一立方分米的純水在攝氏4度時(shí)的重量（質(zhì)量）作為重量單位，定名為千克（公斤）。這種制度是十進(jìn)位制，完全以“米”為基礎，因此得名為“米制”。法國政府根據科學(xué)家實(shí)地測定敦刻爾克到巴塞羅那之間地球子午線(xiàn)的弧長(cháng)和給定體積純水的重量結果，制成鉑基準米尺和鉑基準千克，并從法律上賦予這兩個(gè)基準以“1米”和“1千克”的值。1875年5月20日，在法國政府召開(kāi)的“米制外交會(huì )議上”，17個(gè)國家的代表簽字公認米制為國際通用的計量單位制。中國在1928年加入該公約。

盡管“米制”已成為國際計量單位，但由于傳統和文化的原因，歐美仍然有使用“英制”的習慣。計量單位的不統一帶來(lái)的不只是麻煩。1999年9月，美國國家航天局？NASA？發(fā)射的火星軌道者號太空船按計劃進(jìn)入火星軌道繞行并探測火星氣候，然而，這架太空船還沒(méi)有到達目的地就在太空中燒毀了。1999年12月公布的調查表明事故原因為“導航數據中英制和公制單位的互相混淆”。制造這架太空飛船的工程師使用的是英制單位，而NASA導航系統使用的是公制單位，從而將英制數據輸入了采用公制數據的計算機系統，從而導致了導航的錯誤，這個(gè)錯誤的代價(jià)是1．25億美元。

在米制被確立為國際通用計量單位制后，科學(xué)們發(fā)現地球的性質(zhì)還沒(méi)有穩定到足以制定精確、恒定的長(cháng)度和質(zhì)量計量單位，因為地球的重力和子午線(xiàn)的長(cháng)度在不同的緯度都略有不同。1899年，馬克斯·普朗克在研究黑體輻射時(shí)引入了一個(gè)新的物理常數――普朗克常數，他幾乎同時(shí)發(fā)現將這個(gè)常數與光速和牛頓常數進(jìn)行組合可以得到長(cháng)度、質(zhì)量、時(shí)間和能量的單位。今天，1秒的單位是以原子鐘來(lái)確定的，1米的單位是以光速來(lái)確定的，1公斤的單位是以國際公斤原器的質(zhì)量確定的，1安培的單位是由電磁力確定的。

將來(lái)還會(huì )有更精確的計量單位嗎？克里津說(shuō)，量子霍爾效應該能夠用于質(zhì)量單位公斤的新定義。