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声子物理第一人——黄昆
发布日期:2017-11-10 来源:中国科学院
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近日,在中国科学院党建工作领导小组办公室和中国科学院精神文明建设领导小组办公室主办的“镜头中的最美科学家视频征集展示活动”中,《声子物理第一人——黄昆》展示了国际著名的物理学家、教育家、中国固体物理学先驱、中国半导体科学技术奠基人黄昆,对祖国无限忠诚,对真理执着追求,为半导体事业的腾飞做出了卓越贡献,奉献了毕生精力的人生历程。

黄昆(1919年9月2日—2005年7月6日),出生于北京,祖籍浙江嘉兴。固体物理学家、半导体物理学家。1955年当选为中国科学院学部委员(院士)。1957年加入九三学社。

黄昆父亲黄徵是中国银行高级职员,母亲贺延祉也是银行职员。母亲毕业于北京女子师范大学,为人严肃认真,对黄昆少年时期的成长,有过很大影响。

黄昆小学就读于北师大附小、上海光华小学,中学在燕大附中、北京通县潞河中学度过。他从小聪明好学,学习成绩优异,高中三年成绩始终是全班第一。

1937年,黄昆考入燕京大学物理系,1941年毕业。在大学期间,他对世界新兴的量子力学痴迷,完成了《海森堡和薛定锷量子力学理论的等价性》论文,获学士学位,毕业后在昆明西南联合大学物理系任助教。

1942年,黄昆考取西南联大理论物理研究生,导师为物理学家吴大猷。1944年,黄昆完成了《日冕光谱线的激起》的论文,获北京大学硕士学位,毕业后,在昆明天文台任助理研究员。

1944年8月,黄昆考取公费留英,在英国布里斯托大学读研究生,1947年获博士学位。在此期间,黄昆撰写了《稀固溶体的X光漫散射》等3篇论文。黄昆给出了这种漫散射系统理论,21年后得到证实,理论被国际科技界命名为“黄散射”,成为研究固体中杂质状态的重要依据。通过“黄散射”的研究可以得到溶质原子周围位移场的情况。

1947年5月,黄昆到英国爱丁堡大学物理系,与当代物理学大师、诺贝尔奖获得者M玻恩(Born)合作,共同撰写《晶格动力学理论》专著。玻恩为该书写的序言中提到“本书之最终形式和撰写应基本上归功于黄昆博士”。黄昆与玻恩合著的《晶格动力学理论》一书是国际公认的这一学科领域的权威著作,哺育了世界上几代科学家的成长。

1948年初,黄昆接受英国利物浦大学理论物理系主任佛罗利希(Frohich)的聘请,成为该系博士后研究员。在利物浦大学工作期间,黄昆在科学事业上取得了丰硕成果。他特别关注固体发光中心、半导体深能级等区域电子态、晶格原子的平衡位移和晶格中电子间相互作用。1950年,黄昆与合作者首次提出多声子的辐射和无辐射跃迁的量子理论,即“黄—佩卡尔理论”。1951年,黄昆首次提出晶体中声子与电磁波的耦合振荡模式及有关的基本方程。1963年被拉曼散射实验所证实,被命名为电磁声子,后来发现其他物质振动也有类似的与电磁波的耦合振荡模式,统称为极化激元。现在极化激元已经成为分析固体某些光学性质的基础,黄昆当时提出的方程,被称为“黄方程”。

1951年,黄昆回国,到北京大学物理系任教。黄昆在利物浦大学期间,结识了英国女同事A里斯(Rhys),并建立了诚挚深厚的友谊。1952年4月,里斯来到中国,与黄昆结婚,后也在北京大学物理系工作。在北京大学,黄昆先后任北京大学物理系教授、副主任,半导体教研室主任。他与其他教学人员一起,建立了有中国特色的普通物理教学体系。他们强调立论要严谨、物理图像要清晰、讲授要深入浅出。直到现在,北大理科基础教学还发扬着他们讲课的传统。

1956年,国家制定了十二年科学技术发展规划,把半导体列为国家重点科技研究项目。黄昆和其他科学家一起,制定了我国发展半导体科学技术的规划并组织其实施,成为我国半导体物理学科的开创者之一。

20世纪60年代初期,在国家科委领导下,黄昆提出加强基础研究的意见,并率先在北京大学组织固体物理领域的基础研究——固体能谱研究,建立了研究室和实验室。在工作中他强调理论研究与实验结合,理论研究与发展新材料、新器件结合,推动了全国固体物理基础研究的发展。他还建议把固体物理列为我国物理专业的一门基础课,作为物理专业课程设置上最显著的一项改革,以赶上当代科学技术发展的步伐。他在北大主讲这门课,编著出版了《固体物理学》。这些措施对我国固体物理的研究和教学起了重要的作用。

十年动乱期间,黄昆和大多数知名科学家一样,受到不公正对待,但是他总是努力为党、为祖国、为社会主义事业做尽可能多的工作。他倾注了大量心血,先后编写出《半导体物理基础》和《晶体管—晶体管数字集成电路》。

1977年,黄昆调任中国科学院半导体研究所所长。他在组织全所科研工作完成国家任务的同时,十分重视全所学术水平的提高。他亲自给研究人员讲课,组织全所学术交流。他还在“晶体中电子非辐射跃迁理论”、“半导体量子阱和超晶格理论”的研究上取得了新成就,发表论文20余篇。在黄昆主持下,半导体研究所成立了我国半导体超晶格国家重点实验室,开创并发展了我国在这一材料科学和固体物理中的崭新领域的研究工作。

黄昆不仅是一位优秀的科学家,也是一位优秀的教育家。他对新中国高等院校物理专业的发展做出了卓越贡献。他在普通物理课程体系、半导体物理教育体系以及固体物理等课程的教学建设方面做出了一系列奠基性工作,为国家培养了一大批优秀科技人才。

黄昆十分重视教材建设。他一向认为:“对于科学著作,特别是具有教材性质的书籍,一项起码的要求是问题的讲解必须明确具体、基本概念和理论的阐述必须明确。”黄昆编著的《半导体物理学》(与谢希德合著)和《固体物理学》就是以讲解透彻精辟而著称。这两本著作成为我国固体物理和半导体物理专业学生和研究人员必读书目。

黄昆是我国半导体物理学科教育事业的开创者之一。1955年中国物理学会在北京举办了一个半导体报告会,主讲人是黄昆、王守武、洪朝生、汤定元4位教授。然后,黄昆和他们一起在北大第一次讲授了半导体物理课。为了更多、更迅速地培养从事发展半导体事业的专业人员,1956年暑期,北京大学、复旦大学、南京大学、厦门大学和吉林大学五校,在北京大学联合开办我国第一个半导体专业,黄昆任主任、谢希德为副主任。在黄昆、谢希德领导下,五校师生团结协作,先后开设了固体物理、半导体物理、半导体实验、半导体材料、晶体管电路、半导体器件等全面的半导体专业课程,并于1957年和1958年培养出200多名首批半导体专业毕业生。这些学生成为我国新兴半导体事业的第一批骨干,对我国从无到建立和发展半导体科学技术工业体系起了重要作用。随后,全国许多高校纷纷开设了半导体专业,还建立了研究所和生产半导体材料和器件的车间,使我国半导体学科和半导体技术独立自主地发展起来。

随着固体工艺技术的发展,人们已能用不同的半导体材料,按预定的设计制成周期性的层状结构,层的厚度是与电子的德布罗意波长相当而远小于载流子的平均自由程,这样就开辟了材料科学和固体物理中一个崭新的领域:半导体异质结构和半导体超晶格。黄昆很早就认识到这一新的发展的重大理论意义和可能的重大实用价值,并指导中国科学院半导体研究所开展这一领域的研究工作,成立半导体超晶格国家重点实验室,建立包括分子束外延生长异质结构和超晶格、异质结构和超晶格的结构研究、光学性质研究和输运性质研究等方面的研究组,产生了一批高质量的研究成果。黄昆还亲自组织了半导体超晶格的理论研究,发表了10多篇科学论文。他和学生详细分析了Ⅲ-Ⅴ族化合物的量子阱和超晶格的空穴带的电子状态,发展了一种适用于超晶格结构的简单有效的计算方法,从而对量子阱和超晶格结构中空穴子带的性质、价带杂化和外加电场等对量子阱和超晶格中激子吸收的影响做了理论计算。他和学生系统研究了超晶格中的长波光学振动模式,指出流行的连续介电模型的结果是不对的,基于他在1951年提出的偶极振子晶格模型,他们提出了一个能描述迄今了解的实验事实的理论模型,得到了在一维和二维的量子系统中纵向光学振动和横向光学振动的类体模的正确描述。他们的这项工作对理解半导体超晶格的光学性质、光散射效应、电子和格波的相互作用起到了重要作用。黄昆与朱邦芬提出的超晶格光学声子模式,被称为“黄—朱模型”。

黄昆是国际知名的固体物理学家,取得了多项国际水平的成果,有着巨大的贡献和影响。他被选为第三世界科学院院士、瑞典皇家科学院院士。1959年,他参加了第一届全国群英会,1959年参加中国共产党,被评为中央国家机关优秀党员,全国劳动模范。曾任第三届全国人大代表,第五、六、七、八届全国政协常委。2001年,黄昆获国家最高科学技术奖。