量子效应能吸引你整夜泡在实验室

我不想让你觉得，我在大学里把所有的时间都花在学习上了，那样的话可太浪费生命了。我当了一年的学院文娱委员，入选了学院第二代表队，而且还开怀畅饮过很多啤酒，虽然现在回想起来，那些啤酒只能算料酒级别的。我甚至还说服了学生会购买一个镜面球。在最近的一次同学聚会上，我很高兴地看到它还在我原来学院的酒吧里闪闪发光。虽然这个学科可能看起来不是很酷，但是我非常喜欢，而且我最快乐的一些日子都是在图书馆里度过的，或是在课堂上仔细聆听图书馆所藏教科书的作者们所说的每一个字。到我参加期末考试的时候，我确信我的未来就是研究物理学，那么在哪儿攻读一个物理学的博士学位又会比在卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory）更好呢？

我申请就读的博士课程当时是无比出色的；事实上，在1988年，那是世界上最出色的博士项目之一。迈克·佩珀教授十年前创立了半导体物理小组，当时已经发展成为世界上同类机构中最大的一个，招收了一百多个研究生。在这里有一个叫分子束外延机的东西，可以制造出纯度很高的水晶，他们还有低温冰箱——超大型保温瓶里面装有液氦，可以让温度低到只比绝对零度高千分之几度。

至于半导体物理，大多数人都知道导体和绝缘体是什么，但是我似乎听到你问了一句：“什么是半导体？”说到底，导体就是可以让电流轻松通过的东西，比如铜线。绝缘体则是电流无法通过的物质，比如说塑料——这就是为什么我们会用塑料来包起铜线，因为我们知道这样会很安全，当我们接触到塑料外皮的时候我们不会被电击到。

半导体，你可能已经猜到了，是一种稍微可以导电的东西：它不如导体导电性强，但是又不会比绝缘体的导电效果差。最为人所知的半导体是硅——沙子、玻璃和石英的主要成分——它为各种各样的电器提供了制造所需的最基本材料。你可能听说过“硅谷”，它是旧金山圣克拉拉山谷的别称，是因那里有数家生产电子芯片的厂商而得名的。硅的另一种流行替代品是镓，而我加入的研究小组当时很擅长制造高纯度的镓晶体，然后将各种分量的化学杂质掺进去，以改变它的导电性，然后再把这些材料像夹三明治一样贴合在一起。

如果做得好，你就会在两个像三明治般贴合在一起的晶体之间创造出一个二维电子气（Two-dimensional electron gas）。如果你能把温

度降得够低，这就会让电子的自由径——意思是每个电子运动时在撞上其他东西之前平均走的距离——变得非常大，大概有千分之一毫米（我知道这听起来小得夸张，但是一个电子比如在铜这样的金属里，平均走的距离大约只有它的百分之一）。

我读博士期间主要工作是在微小砷化镓芯片上做出各种微小的金质图案，当我用可变式电源给这些金质图案通电时，我就可以在下面的电子气中创造出各种小图案来。

在可以创造出来的所有图案中，我最感兴趣的是“量子点”；因为当你把很小的东西（比如电子）放到很小的盒子里，怪异的事情就会发生；事实上，你会观察到全新的行为，与我们日常生活中观察到的物体所表现的全然不同。这就是量子力学的奇异世界，我们会在下一课详细介绍。

做实验是很花时间的。把一个芯片冷却到接近绝对零度就能让我花上差不多一天的时间，而且我们的量子点图案可能在这个过程中就会被毁。实验经常会一直进行到晚上。我的睡袋和一堆奶酪三明治经常陪伴着我度过极为寂静的夜晚，我观察着，等待着——然后在非常偶然的情况下——亲眼看到量子行为。