序言
前言
1 点石成金
1.1 法拉第初识半导体
1.2 敏感的公主们
1.3 猫胡子侦测器
1.4 闪电大师特斯拉
1.5 点石成金
2 特立独行的电子
2.1 原子模型的历史迁
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
3 电子的自旋舞
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 几种简单自旋器件
4 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
参考文献

　　前言
　　每个人都知道，今天的世界和50年前是完全不一样的。这不同主要表现在哪里呢？如果用两个字来概括这50年中的差异，恐怕大多数人会说出“信息”这两个字。的确如此，今天的世界中，有恢宏无际的网络、漫天飞舞的电磁波，里面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。这一切可以用一句话来概括：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、通信、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，由此为半导体产业带来了革命性的变化，也从而加快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，是基于量子理论建立起来的固体物理理论，赋予了集成电路技术“体积不断缩小、速度不断加快”的超级能力。电子技术几十年来突飞猛进的根源在于物理学中量子理论的成功。而如今，怎样才能拯救摩尔定律呢？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。20世纪中，前50年物理学的两个重大革命成果，即量子力学和相对论，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。
　　50年前，集成电路刚出现时，大多数利用的是半导体物理的知识。50年后，从半导体物理及固体物理发展起来的凝聚态物理则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、令人眼花缭乱的新成果、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，电子在半导体中究竟是怎样舞蹈的呢？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，本书作者将带你探索这些问题的答案，与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，再到目前的纳米技术以及凝聚态中的前沿进展，如量子霍尔效应、拓扑绝缘体等，本书中都有精彩的介绍。
　　第1章主要是回顾历史；第2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，从物理角度解释半导体器件的工作原理；第3章介绍近年来发展起来的自旋电子学；第4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；既介绍科学家们所做的工作，也侃他们的趣闻轶事和个性生平。它不仅限于物理学，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。

　　地质学家们说，硅是我们地壳成分中数量仅次于氧的元素，坚硬的岩石、漫天遍地的黄沙、覆盖地球数百米深的土壤层，其中都含有大量的硅。
　　我们现在知道了，硅是一种半导体。千百年来，硅以及其他的半导体公主们，像一个个沉睡的美人，如童话故事《睡美人》中的奥罗拉公主那样，静静地躺在黄土和岩石中，等待菲利普王子来唤醒她。
　　英国物理学家迈克尔•法拉第（Michael Faraday，1791—1867）第一个揭开了半导体材料的美丽面纱。法拉第不同于那个年代大多数玩科学的贵族学者，他生于一个贫苦的铁匠家庭，只读过2年小学，后来却成为一个著名的科学家。法拉第奋发图强的精神，为我们树立了一个自学成才的杰出典范。据说在爱因斯坦书房的墙壁上，挂了三幅科学家的肖像：牛顿、麦克斯韦和法拉第。
　　法拉第被生活所迫，13岁就当了报童，后来在一个订书匠的铺子里打工，因此也使他有机会读很多的书。后来，法拉第于茫茫书海中探索出他的科学之路，将人生的小舟驶向那一片他毕生钟爱的水域——电和化学。
　　法拉第的老师，是汉弗里•戴维（H．Davy，1778—1829），但这两个人的关系却包含了许多一言难尽的故事。法拉第于戴维，既是学生和助手，又是雇员和仆人；戴维于法拉第，既是发现千里马的伯乐，却又因嫉妒，后来当了几回陷害压制千里马不让其跑远的小人！
　　戴维也是一位伟大的科学家，是在元素周期表中发现了最多种元素的人。当年，是戴维将法拉第从一个20岁的书籍装订工变成了他的皇家学会实验室助手。尽管这个工作的薪金并不高于订书工，但却为法拉第的科学研究开辟了一条阳关大道。紧接着，戴维带着这个助手加仆人遍游欧洲。一路上，戴维那个自认为血统高贵的夫人对法拉第颐指气使，大伤法拉第的自尊心，使他有那种被中国人叫做“忍受胯下之辱”的感觉。
　　再后来，法拉第做出了许多重大发现。特别是有一个戴维失败了的实验，却被法拉第成功地完成了！那是通电导线在磁场中旋转的实验，实际上也就是说，法拉第造出了世界上第一台电动机的雏形！法拉第的成功令戴维忐忑不安，这位大科学家的虚荣心受到了严重挫伤。戴维不能接受洗瓶子的小实验员超过自己的事实，嫉妒之蛇缠住了他的心灵，使他做出了对法拉第的诬陷：他指责法拉第剽窃另一个物理学家沃拉斯顿的成果。之后，即使法拉第在科学界的声望已经大大超过了戴维，但在戴维的打压下，只是“墙内开花墙外香”的状况。法拉第在皇家学院，仍然是一个拿着低薪的小小实验员！大多数科学家，包括沃拉斯顿在内，都为法拉第鸣不平，联名推荐法拉第成为皇家学院会员。在皇家学院会员选举为法拉第投票的时候，戴维再一次地表现小人之举，投了唯一的一张反对票。
　　法拉第拥有高尚的人格，他一直把戴维当作恩师，即使到了耄耋之年，还经常指着戴维的肖像说：“这是一个伟大的人啊！”