什么原因造成了摩爾定律的危機(jī)？誰(shuí)來(lái)拯救它？電子技術(shù)背后有哪些物理理論？相關(guān)的物理學(xué)家們當(dāng)前在研究些什么熱門課題？他們的研究成果能延續(xù)摩爾定律嗎？電子在半導(dǎo)體中是怎樣舞蹈的？此書(shū)將帶你走近與此有關(guān)的物理及工程領(lǐng)域，從回顧半導(dǎo)體以及電的歷史開(kāi)始，到三只腳的魔術(shù)師—晶體管的發(fā)明；從原子模型的歷史演化，到熱門的自旋電子學(xué)研究，一直到目前的納米技術(shù)以及凝聚態(tài)中的前沿進(jìn)展，諸如量子霍爾效應(yīng)、拓?fù)浣^緣體，等等。
作者簡(jiǎn)介：
張?zhí)烊�，女。美�?guó)得州奧斯汀大學(xué)理論物理博士，現(xiàn)住美國(guó)芝加哥。研究課題包括廣義相對(duì)論、黑洞輻射、費(fèi)曼路徑積分、毫微微秒激光、集成電路EDA軟件等。發(fā)表專業(yè)論文三十余篇。2008年出版科普小說(shuō)《新東方夜譚》；2010年11月出版懸疑小說(shuō)《美國(guó)房客》。2012年開(kāi)始，在科學(xué)網(wǎng)發(fā)表一系列科普博文，其文風(fēng)深入淺出，趣味盎然，亦保持科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，深得讀者喜愛(ài)。是第六版《十萬(wàn)個(gè)為什么》物理卷參編者之一。2013年出版科普讀物：《蝴蝶效應(yīng)之謎:走近分形與混沌》和《世紀(jì)幽靈:走近量子糾纏》。
目錄：
序言-戴元本
前言
第一章：點(diǎn)石成金
1.1法拉第初識(shí)半導(dǎo)體
1.2敏感的半導(dǎo)體
1.3貓胡子偵測(cè)器
1.4閃電大師特斯拉
1.5點(diǎn)石成金
第二章：獨(dú)立特行的電子
2.1原子模型的變遷
2.2能帶論-為電子造房子
2.3倒格子空間
2.4布洛赫波和布里淵區(qū)
2.5電子如何分房入�。�
2.6接觸產(chǎn)生奇跡序言-戴元本
前言
第一章：點(diǎn)石成金
1.1法拉第初識(shí)半導(dǎo)體
1.2敏感的半導(dǎo)體
1.3貓胡子偵測(cè)器
1.4閃電大師特斯拉
1.5點(diǎn)石成金
第二章：獨(dú)立特行的電子
2.1原子模型的變遷
2.2能帶論-為電子造房子
2.3倒格子空間
2.4布洛赫波和布里淵區(qū)
2.5電子如何分房入�。�
2.6接觸產(chǎn)生奇跡
2.7三條腿的魔術(shù)師
第三章：電子自旋舞
3.1巨磁電阻效應(yīng)
3.2自旋登上舞臺(tái)
3.3自旋電子學(xué)
3.4與磁共舞
3.5自旋轉(zhuǎn)移力矩
3.6幾個(gè)簡(jiǎn)單自旋器件
第四章：霍爾圓舞曲
4.1朗道的故事
4.2物質(zhì)的千姿百“相”
4.3霍爾效應(yīng)大家族
4.4量子霍爾效應(yīng)
4.5洗澡水中的小孩
4.6拓?fù)浣^緣體
附錄
附錄A：費(fèi)米子和玻色子
附錄B：布拉菲格子、布拉格衍射、布洛赫波、布里淵區(qū)
附錄C：周期勢(shì)場(chǎng)中的能帶
附錄D：電磁勢(shì)和規(guī)范變換
附錄E：拓?fù)浜?jiǎn)介
附錄F：纖維叢和陳類
參考文獻(xiàn)
前言
《電子，電子！誰(shuí)能拯救摩爾定律？》是作者的第三本科普著作。她的著作有一個(gè)共同特點(diǎn)，都能把趣味性、易讀性與物理學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性很好地結(jié)合起來(lái)。與多數(shù)科普著作相比較，她的書(shū)包含更多對(duì)物理規(guī)律的描述，給讀者以直觀的解釋又不會(huì)產(chǎn)生誤解。——戴元本中國(guó)科學(xué)院院士
每個(gè)人都知道，今天的世界和50年前完全不一樣。這不同主要表現(xiàn)在哪里？如果讓你用兩個(gè)字來(lái)概括這50年中的差異的話，恐怕大多數(shù)人會(huì)說(shuō)出“信息”這兩個(gè)字。的確是如此，今天的世界中，有恢弘無(wú)際的網(wǎng)絡(luò)，漫天飛舞的電磁波，還有多到要爆炸的信息，它們充滿了世界的每個(gè)角落，隨時(shí)可聞、無(wú)處不在。50年前有關(guān)通信的諸多夢(mèng)想，如今都已成為現(xiàn)實(shí)。這一切用一句話來(lái)概括：人類邁入了信息社會(huì)。然而，是什么在支撐著這個(gè)信息社會(huì)呢？毋庸置疑，是近年來(lái)蓬勃發(fā)展、如日中天的各種高科技技術(shù)。其中包括各類計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件、網(wǎng)絡(luò)、通訊、信息、人工智能、云計(jì)算……不勝枚舉。而在這些形形色色、五花八門的技術(shù)后面，又有一個(gè)最基礎(chǔ)和最重要的，那就是集成電路技術(shù)。
55年前，第一個(gè)半導(dǎo)體集成電路問(wèn)世，由此而為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，也從而才加速了各類技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。1965年，與集成電路發(fā)明人之一羅伯特諾伊斯（RobertNoyce）一起創(chuàng)辦英特爾公司的戈登摩爾（GordonMoore），提出了著名的摩爾定律。他預(yù)言：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，而集成電路的性能（計(jì)算能力）也將提升一倍。
幾十年來(lái)，集成電路的演進(jìn)似乎的確遵循著摩爾預(yù)言的這種指數(shù)規(guī)律。但是，僅僅依靠工程技術(shù)的演化，不可能將這種發(fā)展速度永遠(yuǎn)繼續(xù)下去。近年來(lái)，摩爾定律面臨挑戰(zhàn)，遭遇瓶頸，集成電路在進(jìn)一步發(fā)展的道路上，碰到了難以解決的問(wèn)題。
集成電路的基礎(chǔ)材料是半導(dǎo)體，其工作機(jī)制是默默隱藏于它背后、鮮有人知的物理原理。換言之，是基于量子理論而建立起來(lái)的固體物理理論，賦予了集成電路技術(shù)那種“體積不斷縮小、速度不斷加快”的超級(jí)能力。電子技術(shù)幾十年來(lái)的突飛猛進(jìn)是根源于物理學(xué)中量子理論的成功。而如今，怎樣才能挽救摩爾定律呢？可以用上中國(guó)人的一句老話：解鈴還須系鈴人。還是得回到基本物理的層面上，才有可能克服摩爾定律的瓶頸問(wèn)題。
讀了上面的文字，喜歡思考的你可能會(huì)冒出一大堆問(wèn)題：什么物理原因造成了摩爾定律的危機(jī)？誰(shuí)來(lái)拯救它？電子技術(shù)背后有哪些物理理論？相關(guān)的物理學(xué)家們當(dāng)前在研究些什么熱門課題？他們的研究成果能延續(xù)摩爾定律嗎？
與電子技術(shù)同行，物理學(xué)也走過(guò)了它半個(gè)世紀(jì)的輝煌歷程，當(dāng)研究者們從工程界再轉(zhuǎn)過(guò)頭來(lái)回顧基礎(chǔ)物理研究時(shí)，同樣感到大吃一驚。物理學(xué)家們半個(gè)世紀(jì)的努力，正在初現(xiàn)端倪。上世紀(jì)中，前50年物理學(xué)的兩個(gè)重大革命成果：量子力學(xué)和相對(duì)論，正在被后50年以及新世紀(jì)十幾年中越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和天文觀測(cè)現(xiàn)象所證實(shí)。理論物理學(xué)的研究方向，除了一如既往地“上窮碧落下黃泉”，追尋時(shí)空尺度極大和極小兩個(gè)極端之外，也朝著復(fù)雜性的方向發(fā)展。這其中，混沌理論和凝聚態(tài)物理便是典型的例子。
五十年之前，集成電路剛出現(xiàn)的時(shí)候，其中大多數(shù)利用的是半導(dǎo)體物理的知識(shí)。五十年后，從半導(dǎo)體物理及固體物理發(fā)展起來(lái)的凝聚態(tài)物理更引起了專家們的關(guān)注。特別是凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的大量新型材料、各類性質(zhì)奇特的物態(tài)、以及對(duì)常溫下超導(dǎo)超流的研究，更是激發(fā)起人們對(duì)新功能材料無(wú)限的遐想和憧憬，為電子技術(shù)的變革開(kāi)啟了大門。
科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史證明，技術(shù)領(lǐng)域的危機(jī)往往是科學(xué)研究的契機(jī)。如前所述，集成電路的發(fā)展碰到了困難，而凝聚態(tài)物理研究中層出不窮、令人眼化繚亂的新成果、新物態(tài)，卻有可能為電子技術(shù)發(fā)掘出優(yōu)越的新型材料，從而解決工程技術(shù)的困難，挽救摩爾定律。
無(wú)論是工程上使用的半導(dǎo)體材料，還是凝聚態(tài)物理研究中形形色色的量子物態(tài)，電子運(yùn)動(dòng)的模式都在其中起著至關(guān)重要的作用。電子，這個(gè)美妙的舞者，按照量子力學(xué)的規(guī)律，在微觀世界里跳著各種奇特的舞蹈！那么，你是否想了解：電子在半導(dǎo)體中是怎樣舞蹈的？在不同量子態(tài)中，又如何才能充分發(fā)揮電子的更多、更奇特的內(nèi)稟屬性，比如自旋，讓電子跳出更美妙、更有實(shí)用價(jià)值的舞蹈來(lái)？
為此，本書(shū)作者將帶領(lǐng)你探索這些問(wèn)題的答案，將帶你走近與此有關(guān)的物理及工程領(lǐng)域。從回顧半導(dǎo)體的歷史，以及電的歷史開(kāi)始，到三只腳的魔術(shù)師—晶體管的發(fā)明；從原子模型的歷史演化，到熱門的自旋電子學(xué)研究，一直到目前的納米技術(shù)以及凝聚態(tài)中的前沿進(jìn)展：諸如量子霍爾效應(yīng)，拓?fù)浣^緣體等等，本書(shū)中都有精彩的介紹。。
第一章主要是回顧歷史；第二章則以固體中的能帶論為主線，描述電子如何在費(fèi)米能級(jí)附近舞蹈，從而從物理角度解釋半導(dǎo)體器件的工作原理；第三章介紹近年發(fā)展的自旋電子學(xué)；第四章則討論凝聚態(tài)物理中的各種量子霍爾態(tài)。
本書(shū)既講科學(xué)，也說(shuō)技術(shù)。既聊歷史，也談現(xiàn)狀。既介紹科學(xué)家們所作的工作，也侃他們的趣聞?shì)W事和個(gè)性生平。它不僅僅是一本限于物理學(xué)的科普書(shū)，而是橫跨了科學(xué)和技術(shù)多個(gè)領(lǐng)域。它不僅講解電子器件，也深刻剖析其中的工作原理。既有半導(dǎo)體及凝聚態(tài)物理的歷史，也有這些領(lǐng)域最新的發(fā)展?fàn)顩r。在講述電子學(xué)歷史的過(guò)程中，又介紹這些發(fā)現(xiàn)發(fā)明背后隱藏的物理。此外，也介紹了近年來(lái)各種納米新材料的基本概念、有趣性質(zhì)，以及它們的應(yīng)用和前景。
電子技術(shù)及物理科學(xué)的大門敞開(kāi)著，等待年輕人的參與，但愿這本書(shū)能帶你輕松入門。
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