导语：
伊瓦尔·贾埃弗（Ivar Gi ver），挪威籍美国物理学家，于1929年出生在挪威，早年曾在挪威戎行中担任过一年的工程师，在挪威政府中担任过一年的专利审查员。他于1954年移民至加拿大，并加入了加拿大通用电气公司的高档工程项目。1956年，他移民至美国，在通用电气公司担任运用数学家，并于1958年进入研制中心。1965年，贾埃弗取得了美国物理学会颁布的奥利弗－巴克尔奖。1973年，他与江崎玲於奈和约瑟夫森一同取得了诺贝尔物理学奖。
本文译自贾埃弗取得诺贝尔物理学奖后的讲演，叙说了他从本科年代的“台球大师”成长为试验物理学家并斩获诺奖的人生阅历。
作者：Ivar Gi ver
翻译：Mowdinger
审校：Wanen
在我的试验记载本中，日期为1960年5月2日的条目是：“4月22日星期五，我进行了以下试验，旨在丈量超导体中的禁带能隙。”这明显是一条非同小可的记载，不只是由于我简直不怎样写试验记载，并且由于正是这个试验的成功，我今日才干十分侥幸地在此向各位致辞。关于我来说，这个试验有一些偶尔或走运，在本次讲座中，我将尽或许地回想与其相关的一些作业和主意，虽然讲清楚这件事并不简略。对各位来说，我期望这个片面的回想比谨慎的讲座更风趣一些，尤其是在现在现已有许多关于超导隧穿的优异总述文章的状况下。
最近奥斯陆报纸的一个标题大致如下：“台球和桥牌界的大师，在物理上简直不及格，却取得了诺贝尔奖！” 这篇论文提到了我在特隆赫姆的学生年代。我不得不供认报导是恰当准确的，因而我不会测验“掩盖”，而是供认我的数学也差点儿不及格。在那段时刻里，我对机械工程的课不是很感兴趣，但我确真实1952年以一个中等水平结业。由于挪威住宅缺少的问题，我和妻子终究决议移民加拿大，并且我很快就在加拿大通用电气公司找到了一份作业。公司为我供给了一个为期三年的工程与运用数学入门课程。我意识到这次要来真的了，由于这很或许是我终究的时机，所以我真的努力学习了几年。
28岁时，我来到了纽约的斯克内克塔迪。在那里我发现关于某些人来说，作为物理学家过上好日子也是有或许的。那段时刻我参加了运用数学方面的各种公司使命，并且渐渐有了一种感觉，即数学要比咱们实践运用的物理体系的相关常识先进许多。因而，我想或许我应该学习一些物理学，并且在通用电气的试验室里，即便是工程师也有时机测验这件事。
我的使命是研讨薄膜（thin films），而对我来说“films”意味着拍照。不过我很走运地可以与约翰·费舍尔（John Fisher）一同作业，明显他比我愈加有主意。费舍尔开端也是一名机械工程师，但最近他把留意力转向了理论物理学。他以为可以运用薄膜技能制造有用的电子器材。不久之后，我开端研讨用薄绝缘层离隔的金属薄膜，测验进行隧穿试验。我可以确认费舍尔其时是了解江崎玲于奈（Leo Esaki）的隧穿试验的，而我却不了解。关于只在特洛伊的伦斯勒理工学院吃力地学过一些量子力学的我来说，粒子可以穿过障碍物的概念好像有些古怪。假如你把一个网球扔到墙上满足屡次，它终究会在不损坏墙面或本身的状况下穿过去，这必定和取得诺贝尔奖难度恰当！当然，窍门是运用十分小的球，以及许多球。因而，假如咱们可以将两种金属放的很近而不短路，则金属中的电子可以被以为是球，并且这儿的“墙面”便是金属之间的间隔。这些概念如图1所示。虽然经典力学正确地猜测了大型物体（如网球）的行为，但为了猜测电子等小物体的行为，咱们有必要凭借量子力学。咱们的物理洞察力与对大型物体的日常经历有关，因而不应过于惊奇电子有时会表现得让人意想不到。
图1 A. 假如一个人把球扔到墙上，球会弹回来。物理规律答应球穿透或穿墙而过，但由于球是微观物体，这种或许性微乎其微。B. 由真空离隔的两种金属类似于上述状况。金属中的电子是“球”，真空代表墙。C. 这两种金属的图示能量图。电子没有满足的能量逃到真空中。可是，这两种金属可以经过隧穿来沟通电子。假如金属之间的间隔很近，隧穿的或许性就很大，由于电子是一个微观粒子。
由于费舍尔和我都没有太多的试验物理布景，咱们一开端便犯了许多过错。为了可以丈量隧穿电流，两种金属的距离不得超越约100 。考虑到振荡的影响，咱们最开端便决议不能把两层金属之间的空气或真空当作绝缘层，究竟咱们都承受过机械工程的训练！咱们测验运用由朗缪尔薄膜和聚醋酸甲基乙烯脂制成的各种薄绝缘层来坚持两种金属别离。但这些薄膜总是有针孔，而咱们运用的汞辅佐电极会使构成短路。因而，咱们花了许多时刻来丈量十分风趣但不行重复的伏安特性曲线——咱们称之为奇观，由于每个曲线只会呈现一次。几个月后，咱们总算想到了正确的办法，即运用蒸镀的金属薄膜，并经过天然成长的氧化层将它们分隔。
图2 用于堆积金属薄膜的真空体系示意图。假如在钽坩埚上运用电阻加热铝，铝将先熔化，再欢腾并蒸腾。然后铝蒸气会在蒸气流中的冷衬底上凝结。最常见的衬底是一般的显微镜载玻片。运用金属掩模板的屏蔽作用，可以在载玻片上构成图画。
为了完结咱们的主意，咱们需求一台镀膜机，因而我购买了我的第一件试验设备。在等候它抵达时我十分忧虑，我忧虑我会堕入与这台贵重的机器相关的试验物理中，而我其时的计划是在学到满足多常识后转去做理论。预见是正确的，我的确陷在了镀膜机上，但不是由于它很贵重，而是由于它让我很入神。图2 展现了镀膜机的示意图。为了制造隧穿结，咱们首先将一条铝带蒸腾到了载玻片上，然后将它从真空中取出并加热以快速氧化外表。随后咱们在第一条薄膜上又镀了几个穿插的铝带，并一同构成几个连接点。样品制备过程如图3所示。这个办法处理了两个问题，首先在氧化物中没有针孔了，由于它是自修正的，其次咱们摆脱了汞辅佐电极引起的机械问题。
图3 A. 一个显微镜玻片，玻片中心有一层气相堆积的铝带。一旦铝膜暴露在空气中，外表就会构成一种保护性的氧化物绝缘层。氧化物的厚度取决于时刻、温度和湿度等要素。B. 当氧化层构成后，在第一层膜上蒸镀一条与之穿插的铝带，使氧化层夹在两层金属膜之间。电流将沿着一层铝膜向上穿过氧化层，然后经过另一层铝膜流出，与此一同咱们丈量氧化层上的压降。C. 电路示意图。图中丈量的是由两个铝薄膜和氧化层构成的电容式设备的伏安特性。当氧化层厚度小于50 时，有明显的直流电流经过氧化层。
到1959年4月左右，咱们现已进行了几回成功的隧穿试验。样品的伏安特性是恰当可重复的，并且与理论契合的很好。典型成果如图4所示。咱们进行了几项查看，例如改动结的面积和氧化层厚度以及改动温度。全部的全部看起来都很好，咱们试验室乃至还开了一场研讨会。到这个时分，我现已解了满足屡次的薛定谔方程来压服自己电子有时表现得像波相同，我不再忧虑这一点了。
图4 五种厚度相同，可是面积不等的隧穿结的伏安特性曲线。电流与结的面积成正比。这是咱们完结隧穿而非短路的第一个头绪。在前期的试验中，咱们用的氧化层相对较厚，因而在低电压下只需很小的电流可以经过。
可是试验室里有许多真实的物理学家，他们对我的试验提出了合理的质疑。我怎样保证这是隧穿效应而不是金属短路、离子电流或许半导体？当然，我不知道，虽然理论和试验共同，但关于正确性的置疑一向在我的脑海中。我花了许多时刻想了一些不或许完结的计划，如地道三极管或冷阴极，这些主意都是为了证明我对隧穿效应的解说。其时的我以为做自己以为风趣的事并因而取得酬劳是很古怪的，我的良知困扰着我。但就像量子力学相同，只需习气就好。而现在我常常为相反的观念辩解：咱们应该支撑更多的人做朴实的科研。
图5 A. 由势垒离隔的两种金属的能带图。由于两种金属间存在电势差，它们的费米能级是不同的。左边金属中只需能量高于右侧金属最高能级的电子才干隧穿到右侧，由于只需这些电子所在的能级在右侧是空态。泡利原理使得在每个量子态中只能存在一个电子。B. 右侧金属现在处于超导态，因而在其能带中有一个超导能隙，能隙中不存在单电子的能态。左边的电子依然可以穿过势垒，可是假如外加电压给他们供给的能量小于超导能隙的一半的话，在右侧超导体中没有与其能量相符的态，因而他们将无法持续进入右侧。当外加电压给隧穿电子供给的能量大于超导能隙的一半时，才会呈现电流。C.伏安特性曲线示意图。当两种金属都处于正常态时，电流与电压成正比。当一种金属处于超导状况时，电流电压特性会发作很大改变。伏安特性曲线的切当形状取决于超导体中的电子能带。
我持续测验我的主意，而约翰·费舍尔则带着他特有的达观和热心去研讨根本粒子问题了。此外，我得到了查尔斯·比恩（CharlesBean）和沃尔特·哈里森（Walter Harrison）越来越多的主张和辅导。只需给这两位物理学家一块粉笔和一块黑板，他们就能不行思议地将作业理清。与此一同，我持续在RPI学习正式课程，有一天在亨廷顿（Huntington）教授的固体物理课程中，咱们学到了超导性。嗯，我不信任电阻准确地下降到零，但真实引起我留意的是超导体中的能隙，这是新BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer)理论的中心。假如理论是合理的，并且假如我的隧穿试验也是合理的，结合两者应该会发作一些十分风趣的作业，如图5所示。当我回到通用电气的试验室时，我测验告诉我的朋友们这个简略的主意，而我记住他们看起来并不觉得这件事有那么好。能隙的确是一个多体效应，无法简略地依照我那种办法解说，但即便有恰当多的置疑，咱们也都鼓舞我持续测验。然后我意识到在自己能了解的电子伏单位制下，我不知道能隙的巨细是多少。但这是一个很简略处理的问题，只需运用我常用的办法即可：先去问问比恩和哈里森。当他们都说是几个毫电子伏时，我很快乐，由于它在一个简略丈量的电压范围内。
图6 一种用于低温试验的规范设备。它由两个杜瓦组成，外层的装有液氮，内部装有液氦。氦在大气压下的沸点是4.2K。经过对液氦减压，温度可以降低到1K左右。样品经过丈量线路简略地悬挂在液氦中。
我从未做过需求低温文液氦的试验，这好像是件杂乱的作业。可是，通用电气这样的大型试验室的巨大优势是，在简直任何范畴都有学识渊博的人在你身边，并且更棒的是他们很愿意助你一臂之力。就我而言，我所要做的便是走到大厅的止境，Warren DeSorbo正在那里进行与超导体相关的试验。我现已记不清我花了多长时刻来设备借来的液氦杜瓦，但或许不超越一两天。不了解低温作业的人会以为整个低温范畴都十分艰深，但真实要做的作业其实便是取得液氦，这在试验室很简略做到，试验设备如图6所示。然后我运用自己了解的铝-氧化铝制造样品，但我在最上面加了一个铅带。铅和铝都是超导体，铅在7.2K超导，因而要让铅超导你只需求运用沸点为4.2K的液氦。而铝在低于1.2K时才干超导，为了到达这个温度，咱们需求一个愈加杂乱的试验设备。
图7 铝-氧化铝-铅样品的伏安特性曲线。当铅进入超导态后，电流不再正比于电压。在4.2K与1.6K之间存在较大的改变是由于超导能隙是随温度改变的。当外加电压供给的电势能小于能隙的一半时依然有一些电流存在是由于导体中电子的热激起。
我测验的前两个试验都失利了，由于我加的氧化层太厚了，以至于电流不够大，无法经过我运用的仪器进行牢靠的丈量，而这些仪器只是规范电压表和规范电流表。每逢我回想起这一点时都会感到很古怪，由于只是13年之后的现在，试验室现已处处都是杂乱的x-y记载仪。当然，其时咱们有许多示波器，但我并不是很了解怎么运用它们。在第三次测验中，我没有成心氧化第一条铝带，而是仅将其暴露在空气中几分钟，然后再放回镀膜器中堆积铅的穿插条带。这样氧化物厚度就不会超越30 ，我就可以用现有设备轻松地丈量伏安特性。对我来说，试验中最巨大的时刻总是呈现在我了解特定的主意是好仍是坏之前，因而即便是失利也令人振奋。当然，我的大多数主意都是过错的。但这次它见效了！当电极从正常状况变为超导状况时，伏安特性曲线发作了明显改变，如图7所示。这恰当令人振奋！我立即用不同的样品重复了这个试验——全部看起来都很好！但怎么终究确认这个定论呢？众所周知，超导性会被磁场损坏，但我运用的简易杜瓦设备是不或许做这个试验的。这次我不得不穿过整个大厅到伊斯雷尔·雅可比（Israel Jacobs）研讨低温磁学的试验室。我再次很走运地可以直接运用一台试验设备，它可以一同操控温度与磁场。运用这台设备我可以快速完结全部的试验，根本成果如图8所示，全部成果都契合得很好。我记住其时整个小组都十分振奋，尤其是比恩，他热心肠在咱们试验室里传达着这个音讯，并耐心肠向我解说试验的重要性。
图8 在1.6K时，不同外加磁场下的伏安特性曲线。在2400高斯时，铅薄膜处于正常态，在0高斯时铅薄膜处于超导态。在800高斯和0高斯之间的改变是由于超导能隙随外加磁场改变。
图9咖啡时刻的非正式评论。左起:Ivar Giaever, Walter Harrison,Charles Bean, and John Fisher
当然，我不是第一个丈量超导能隙的人，我很快就发现了M.Tinkham和他的学生运用红外透射完结的美丽试验。我依然记住其时我很忧虑自己丈量的能隙巨细与以往的丈量成果不共同。可是比恩开门见山地告诉我，从那时起，其他人将不得不认可我的成果; 我的试验将成为规范，我感到很快乐，并且第一次有自己是一名物理学家的感觉。
图10在温度大于0 K时，两种具有不同能隙的超导体之间的隧穿。(A). 两个导体之间不施加电压。(B). 加电压时，会有越来越多的热激起电子从能隙较小的超导体流向能隙较大的超导体。在图中所示的电压下，全部的激起电子都能在右侧找到空态。(C). 跟着电压的进一步升高，不再有更多电子发挥作用，由于可以承受隧穿电子的态数目削减，电流将随电压的升高而减小。当电压满足高时，左边超导体能隙下方的电子对应到右边的空态，电流会敏捷添加。(D). 预期的伏安特性示意图。
那是我人生中最激动人心的一段时刻；咱们有一些很好的主意来改善试验并将其扩展到各种资料，如一般金属，磁性资料和半导体。我记住其时咱们在咖啡时刻进行了许多关于接下来要测验什么的非正式评论，其间一个被记载在一张1960年拍照的相片中，如图9所示。说实话，相片是摆拍的，咱们的穿戴一般不那么正式，并且我自己是简直不会担任在黑板上推演的！咱们的大多数主意都不是很有用，而哈里森很快就宣布了一个理论来证明日子终究是杂乱难明的。可是超导试验很有招引力并且总是有用果。看起来隧穿概率是正比于超导态密度的。现在，假如以为这是严厉正确的，那便不难意识到两个超导体之间的隧穿应该表现负电阻特性，正如图10所示。负阻特性当然意味着放大器，振荡器和其他器材。可是我周围没有经过液氦减压制冷来使铝超导的设备。这次我不得不脱离咱们这栋楼，从头启用周围楼里的一台老旧的低温设备。公然，一旦铝超导，就会呈现负电阻，实践上，隧穿概率与态密度成正比的观念在试验上是正确的。图11展现了一个典型的试验特征。
图11在两个不同超导体之间的隧穿试验中得到的负电阻特性。
作业发展的十分顺畅，由于运用这种效应咱们可以制造各种电子设备，但当然，它们只能在低温下作业。咱们应该还记住1960年时半导体器材并没有那么先进，咱们以为超导结有很大的期望与它们（例如江崎二极管）竞赛。我面对的根本问题是走哪条路，工程仍是科学？我决议要先做科学，并且得到了我的上司罗兰·施密特（Roland Schmitt）的全力支撑。
现在回想起来，我意识到关于施密特来说，让咱们去研讨这个全新的范畴是多么有诱惑力，尤其是在咱们身边有那么多经历丰富的物理学家的状况下。与此相反的是，施密特在恰当的时分介绍了一位搭档给我，卡尔·麦格尔(Karl Megerle)，他以训练研讨员的身份加入了咱们的试验室。我和麦格尔协作得很好，不久咱们就宣布了一篇论文，评论了许多根本的效应。
图12铅结在低温下的归一化微分电导。简略的BCS理论可以猜测，跟着能量的添加，微分电导应渐近于一个单位。但相反的是，在4倍超导能隙到8倍超导能隙之间咱们可以观察到几个摇摆。这些摇摆与铅中的声子谱有关。
关于物理学来说，把试验扩展到更高的能量、更强的磁场，或许关于咱们的状况来说，扩展到更低的温度，一向都是很重要的。因而，咱们与霍华德·哈特（Howard Hart）协作，他刚刚建成了一台氦3制冷机，可以将温度降到0.3K。一同，麦格尔做好了一个锁相放大器，咱们可以用它直接丈量微分电导。那是一台恰当美丽的仪器，磁铁在其间以每秒8圈的速度绕拾波线圈旋转，当然它是远远比不上现代的锁相放大器的。咱们早就知道铅的伏安特性曲线存在反常，现在咱们总算可以经过在微分电导曲线上测到的额定摇摆来确认这件事。如图12所示。这个成果让咱们很快乐，由于咱们现在所做的全部隧穿试验都是为了证明BCS理论，而这并不是一个试验物理学家真实想做的作业。咱们的愿望是证明一个闻名的理论是不正确的，现在咱们总算在这个理论上戳了一个洞。咱们其时估测，这些摇摆与声子有关，而声子被以为是超导体中电子-电子招引相互作用的来历。但自始自终的是，理论物理学家们改变了局势。他们聪明地运用这些摇摆来恰当地扩展理论，并证明BCS理论的确是正确的。巴丁教授在他最近的诺贝尔讲演中具体地叙说了这个成果。
到现在为止，我首要讲的是通用电气其时的研讨状况。有时分我很难意识到斯克内克塔迪并不是国际的中心，其他几个小组也开端了对隧穿的研讨，这儿只简略介绍几位：J.M.罗威尔（J.M.Rowel）和W.L.迈克米兰（W.L.McMillan）阐明晰超导体中的声子结构；当然了，托马斯切（W.J.Tomasch）坚持要找到自己的发现；在咱们做试验的一同，夏皮罗（S.Shapiro）和他的搭档也在进行两个超导体之间的隧穿试验；而巴丁(J.Bardeen)和后来的M.H.科恩(M.H.Cohen)等人则担任了大部分的理论研讨。
图13 捆绑磁场对隧穿特性的影响。曲线1为初态曲线，曲线3中有中等巨细的磁场，曲线2中磁场已被去掉。在曲线l中有一个很小的无耗散电流，咱们以为这是由于金属短路构成的。但现在回想起来，这其实是由于约瑟夫森效应！
与此一同，我完结了自己在RPI的课程，并决议和亨廷顿教授一同做一个关于有序-无序合金的理论课题，由于咱们现已根本了解了超导中的隧穿效应。后来有人提示我布莱恩·约瑟夫森（Brian Josephson）在《物理学快报》上宣布了一篇短文—我其时是怎样想的呢? 嗯，我没看懂。可是不久之后我有时机在剑桥见到了约瑟夫森自己并对他的作业留下了深入的形象。约瑟夫森猜测的其间一个效应是，当两边的金属都处于超导态时，有或许会有零压降的超流经过氧化物势垒。现在这个现象被称为直流约瑟夫森效应。咱们现已有很屡次丈量到这种行为了，事实上，当丈量“锡-氧化锡-锡”结或“铅-氧化铅-铅”结时，很难看不到这种电流。前期的隧穿结一般运用氧化铝，而氧化铝一般是比较厚的，因而热涨落按捺了直流电流。在麦格尔和我的第一篇论文中有这样一条曲线，如图13所示，展现的便是这样的一个超流，并且它激烈依赖于磁场。可是，其时我对这个现象有一个现成的解说，那便是金属电极的短路。那时分我就很困惑，由于按理说这样一个小的触摸不应有如此的磁场敏感度，不过并没有人知道一个20 长，20 宽的触摸会有什么现象。假如说作为一个科学家我学到了哪些东西的话，那便是当一个简略的解说就可以处理问题时，不应该把作业杂乱化。因而，全部咱们制造的观测到了约瑟夫森效应的样品都被当作短路的样品而抛弃了。但明显这次我想的太简略了！后来我被问过很屡次，是否为错过了这个效应而感到伤心？答案当然是不，由于只是观测到一些现象并不行以称作在试验上有所发现，咱们还有必要认识到现象背面的物理含义，而在这个比如中我乃至都没有挨近这一点。即便在我真实地了解了直流约瑟夫森效应之后，我依然觉得它与短路是无法区别的，因而我曾过错地以为只需观测到沟通约瑟夫森效应才干证明或许证伪约瑟夫森的理论。
总归，我期望这个恰当私家的叙说能对科学探究的实质供给一些粗浅的见地。我自己的信仰是，通往科学发现的路途往往不那么直接，它并不一定需求高明的专业常识。事实上，我信任一个范畴的新人往往有很大的优势，由于他是无知的，不知道不应去测验某个特定试验背面的杂乱原因。可是，当你需求一些主张的时分，可以从不同范畴的专家那里得到协助是很重要的。对我来说，最重要的是，我在正确的时刻呈现在了正确的地址，并且我在通用电气表里都有许多忘我地支撑我的朋友。
