介绍：
伊瓦尔·吉埃弗（Ivar Giver），挪威裔美国物理学家，1929年出生于挪威。早年曾在挪威军队担任过一年工程师，在挪威政府担任过一年专利审查员。 1954年移居加拿大，加入加拿大通用电气公司高级工程项目。 1956年移民美国，在通用电气公司担任应用数学家，1958年进入研发中心。1965年，贾弗获得美国物理学会奥利弗·巴克尔奖。 1973年与江崎丽奈、约瑟夫森共同获得诺贝尔物理学奖。
本文译自贾弗获得诺贝尔物理学奖后的演讲。讲述了他从本科时期的“台球大师”到实验物理学家、诺贝尔奖获得者的人生经历。
作者：伊瓦尔·吉埃弗
翻译：莫丁格
审稿人：万恩
在我的实验笔记本中，日期为1960 年5 月2 日的条目写道：“4 月22 日星期五，我进行了以下实验，目的是测量超导体的能隙。”这显然是一个不寻常的记录，不仅因为我很少写实验记录，还因为正是这个实验的成功，让我今天很荣幸在这里向大家发表讲话。对我来说，这个实验有一定的机会或者运气，在这次演讲中我会尽力回忆一些与之相关的事件和想法，尽管解释清楚并不容易。我希望这种主观回忆比严格的讲座对您来说更有趣，特别是因为有很多关于超导隧道的优秀评论文章。
奥斯陆一家报纸最近的头条新闻是这样的：“台球和桥牌大师，物理学勉强不及格，却获得了诺贝尔奖！”这篇论文提到了我在特隆赫姆的学生时代。我不得不承认报道是相当准确的，所以我不会试图“掩盖”，而是承认我的数学也差点不及格。那时我对机械工程课程不太感兴趣，但我确实在1952年以中级毕业。由于挪威住房短缺，我和妻子最终决定移民到加拿大，我很快就找到了工作在加拿大通用电气公司。该公司为我提供了为期三年的工程和应用数学入门课程。我意识到这一次真的到来了，因为这可能是我最后的机会，我非常努力地学习了几年。
当我28 岁的时候，我来到了纽约斯克内克塔迪。在那里我发现有些人作为物理学家可以过上不错的生活。在那段时间里，我参与了应用数学方面的各种公司任务，并慢慢地感觉到数学比我们实际应用的物理系统的知识要先进得多。所以我想也许我应该学习一些物理，在通用电气的实验室里，即使是工程师也有机会尝试。
我的任务是研究薄膜，“电影”对我来说意味着摄影。但我很幸运能够与约翰·费舍尔一起工作，他显然比我有更多的想法。费舍尔最初也是一名机械工程师，但最近他将注意力转向了理论物理学。他相信可以使用薄膜技术制造实用的电子设备。不久之后，我开始研究由薄绝缘层分隔的金属薄膜，尝试进行隧道实验。我确信费舍尔当时知道里奥江崎的隧道实验，但我不知道。对于我来说，我只是在特洛伊的伦斯勒理工学院学习了一些量子力学，粒子可以穿过障碍物的概念似乎很奇怪。如果你向墙壁扔网球足够多次，它最终会穿过墙壁而不会损坏墙壁或本身，这肯定与获得诺贝尔奖相当！当然，诀窍是使用非常小的球，而且要使用很多球。因此，如果我们可以将两种金属非常靠近地放置在一起而不发生短路，则金属中的电子可以被视为球，而这里的“墙”就是金属之间的空间。这些概念如图1 所示。虽然经典力学可以正确预测网球等大型物体的行为，但为了预测电子等小型物体的行为，我们必须求助于量子力学。我们的物理洞察力与我们对大型物体的日常经验息息相关，因此，电子有时会以意想不到的方式表现，我们不应该感到太惊讶。
图1 A. 如果一个人将球扔到墙上，球会反弹回来。物理定律允许球穿透或穿过墙壁，但由于球是宏观物体，这种可能性很小。 B.通过真空分离的两种金属与上述类似。金属中的电子是“球”，真空代表墙。 C. 这两种金属的图形能量图。电子没有足够的能量逃逸到真空中。然而，这两种金属可以通过隧道交换电子。如果金属之间的距离非常近，则更有可能发生隧道效应，因为电子是微观粒子。
由于费舍尔和我都没有太多的实验物理学背景，所以我们很早就犯了很多错误。为了能够测量隧道电流，两种金属之间的距离必须不超过100。考虑到振动的影响，我们最初决定两层金属之间的空气或真空不能用作绝缘层。毕竟，我们都是接受过机械工程师培训的！我们尝试使用由朗缪尔薄膜和聚醋酸乙烯酯制成的各种薄绝缘层来保持两种金属分离。但这些薄膜总是有针孔，而且我们使用的汞辅助电极会导致短路。因此，我们花了很多时间测量非常有趣但不可重复的伏安特性曲线——，我们称之为奇迹，因为每条曲线只出现一次。几个月后，我们终于找到了正确的方法，那就是使用蒸发的金属薄膜，并通过自然生长的氧化层将它们分开。
图2 用于沉积金属薄膜的真空系统示意图。如果在钽坩埚中使用电阻加热铝，铝会熔化，然后沸腾并蒸发。然后铝蒸气在蒸气流中凝固在冷基底上。最常见的基底是普通的显微镜载玻片。利用金属掩模的屏蔽作用，可以在载玻片上形成图案。
为了实现我们的想法，我们需要一台涂布机，所以我购买了我的第一台实验设备。在等待它到达的过程中，我非常担心。我担心我会陷入与这台昂贵机器相关的实验物理学的泥沼，而我的计划是一旦我学得足够多，就转向理论。预感是对的，我确实被困在了涂布机上，不是因为它很贵，而是因为它让我着迷。图2为涂布机示意图。为了制造隧道结，我们首先将一条铝条蒸发到载玻片上，然后将其从真空中取出并加热以快速氧化表面。然后，我们在第一层薄膜上再镀上几条交叉的铝带，并同时形成几个连接点。样品制备步骤如图3所示。该方法解决了两个问题，首先氧化物中没有针孔，因为它具有自愈性，其次我们摆脱了汞辅助电极带来的机械问题。
图3 A. 中间有气相沉积铝条的显微镜载玻片。一旦铝膜暴露在空气中，表面就会形成一层氧化绝缘保护层。氧化物的厚度取决于时间、温度和湿度等因素。 B、氧化层形成后，在第一层薄膜上蒸镀一条与其交叉的铝条，使氧化层夹在两层金属薄膜之间。电流将沿着一个铝膜向上流过氧化层，并通过另一铝膜流出，同时我们测量氧化层上的电压降。 C、电路图。测量由两层铝膜和一层氧化物层形成的电容装置的伏安特性。当氧化层的厚度小于50埃时，有大量的直流电流通过氧化层。
大约到1959 年4 月，我们已经进行了几次成功的隧道实验。样品的伏安特性具有很好的重复性并且与理论非常吻合。典型结果如图4 所示。我们进行了多项检查，例如改变结面积和氧化物厚度以及改变温度。一切看起来都很好，我们的实验室里甚至还有一个研讨会。此时，我已经解出了薛定谔方程足够多次，使自己相信电子有时会表现得像波，并且我不再担心它。
图4 5个厚度相同但面积不同的隧道结的伏安特性曲线。电流与结的面积成正比。这是我们的第一个线索，表明我们正在挖掘隧道而不是短路。在早期的实验中，我们使用了相对较厚的氧化层，因此在低电压下只有少量的电流可以通过它们。
然而实验室里有很多真正的物理学家对我的实验提出了合理的怀疑。我如何确保这是隧道效应而不是金属短路、离子电流或半导体？当然，我不知道，尽管理论和实验一致，但对其正确性的怀疑始终存在于我的脑海中。我花了很多时间思考不可能的解决方案，例如隧道三极管或冷阴极，所有这些都是为了证实我对隧道效应的解释。当时，我觉得做自己认为有趣的事情而获得报酬是很奇怪的，这让我良心不安。但就像量子力学一样，你只是习惯了它。现在我经常主张相反的观点：我们应该支持更多的人做纯科学。
图5 A. 由势垒分隔的两种金属的能带图。由于两种金属之间的电势差，它们的费米能级不同。只有左边金属中能量高于右边金属最高能级的电子才能向右隧道传输，因为只有这些电子的能级在右边是空的。泡利原理指出，每个量子态中只能存在一个电子。 B. 右边的金属现在处于超导状态，因此它的能带中存在超导能隙，并且能隙中不存在单个电子的能态。左边的电子仍然可以穿过势垒，但如果施加的电压提供给它们的能量小于超导能隙的一半，那么右边的超导体中将不存在与其能量相匹配的状态，因此它们不会可以继续向右走。当施加电压给隧道电子提供的能量大于超导能隙的一半时，就会出现电流。 C、伏安特性曲线示意图。当两种金属处于正常状态时，电流与电压成正比。当金属处于超导状态时，电流-电压特性发生显着变化。伏安特性曲线的确切形状取决于超导体中的电子能带。
我继续试验我的想法，而约翰·费舍尔以其特有的乐观和热情着手研究基本粒子问题。此外，我从查尔斯·宾和沃尔特·哈里森那里得到了越来越多的建议和指导。只要给这两位物理学家一支粉笔和一块黑板，他们就能得出惊人的结论。与此同时，我继续在RPI上正式课程，有一天在亨廷顿教授的固体物理课程中我们了解了超导。嗯，我不相信电阻会完全下降到零，但真正引起我注意的是超导体中的能隙，这是新BCS（巴丁-库珀-施里弗）理论的核心。如果这个理论是合理的，并且如果我的隧道实验是合理的，那么当将两者结合起来时，应该会发生一些非常有趣的事情，如图5 所示。当我回到GE 实验室时，我尝试告诉我的朋友这个简单的想法，我记得他们似乎并不认为这有多好。能隙确实是一个多体效应，不能简单地用我的方式来解释，但尽管有相当多的怀疑，每个人都鼓励我继续尝试。然后我意识到我不知道我所理解的电子伏特系统中能隙的大小是多少。但这是一个很容易解决的问题，只需使用我惯用的方法：先询问比恩和哈里森。当他们都说几毫电子伏时，我很高兴，因为它处于易于测量的电压范围内。
图6 低温实验的标准装置。它由两个杜瓦瓶组成，外部一个装有液氮，内部一个装有液氦。氦气在大气压下的沸点是4.2K。通过对液氦减压，温度可降至1K左右。通过测量管线将样品简单地悬浮在液氦中。
我从未做过需要低温和液氦的实验，这似乎是一件复杂的事情。然而，像GE 这样的大型实验室的巨大优势在于，您身边几乎拥有所有领域知识渊博的人员，而且更好的是，他们很乐意为您提供帮助。就我而言，我所要做的就是走到大厅的尽头，沃伦·德索博正在那里进行与超导体相关的实验。我已经记不清我花了多长时间来设置借来的液氦杜瓦瓶，但可能不超过一两天。不熟悉低温工作的人会认为整个低温领域非常深奥，但真正需要做的是获得液氦，这在实验室很容易做到。实验装置如图6所示。然后我用我熟悉的铝——氧化铝制作了样品，但我在上面加了一条铅条。铅和铝都是超导体，铅在7.2K时超导，所以要使铅超导只需要使用沸点为4.2K的液氦即可。铝只能在1.2K以下超导。为了达到这个温度，我们需要一个更复杂的实验装置。
图7 铝-氧化铝-铅样品的伏安特性曲线。当铅进入超导状态时，电流不再与电压成正比。由于超导能隙随温度变化，4.2K和1.6K之间变化较大。当外加电压提供的电势能小于能隙的一半时，由于导体中电子的热激发，仍然存在一些电流。
我尝试的前两个实验都失败了，因为我添加的氧化层太厚，而且电流不够高，无法用我使用的仪器可靠地测量，这些仪器只是一个标准电压表和一个标准电流表。当我回想起这件事时，我感到很奇怪，因为现在，仅仅13 年后，实验室里就充满了复杂的x-y 记录仪。当然，当时我们有很多示波器，但我不太熟悉如何使用它们。在我的第三次尝试中，我没有故意氧化第一条铝条，而是只是将其暴露在空气中几分钟，然后将其放回镀膜机中以沉积交叉的铅条。这样，氧化物厚度不会超过30，我可以使用现有设备轻松测量伏安特性。对我来说，实验中最伟大的时刻总是发生在我知道某个想法是好是坏之前，所以即使失败也令人兴奋。当然，我的大部分想法都是错误的。但这一次成功了！当电极从正常状态转变为超导状态时，伏安特性曲线发生显着变化，如图7所示。这相当令人兴奋！我立即用不同的样本—— 重复了这个实验，一切看起来都很好！但最终如何确定这个结论呢？众所周知，超导性会被磁场破坏，但使用我使用的简单杜瓦瓶装置无法进行该实验。这次我不得不穿过大厅来到以色列雅各布斯的实验室，他在那里研究低温磁性。我再次幸运地能够直接接触到可以控制温度和磁场的实验装置。使用这个设备，我可以快速完成所有实验。基本结果如图8 所示。所有结果都非常吻合。我记得整个小组都非常兴奋，尤其是Bean，他热情地在我们实验室传播这个消息，并耐心地向我解释实验的重要性。
图8：1.6K时不同外磁场下的伏安特性曲线。在2400高斯时，铅膜处于正常状态，在0高斯时，铅膜处于超导状态。 800高斯和0高斯之间的变化是由于超导能隙随着施加的磁场而变化。
图9 咖啡时间的非正式讨论。从左至右：Ivar Giaever、Walter Harrison、Charles Bean 和John Fisher
当然，我不是第一个测量超导能隙的人，我很快就发现了M. Tinkham 和他的学生利用红外传输所做的精彩实验。我还记得当时担心我测量的能隙大小与以前的测量不一致。但比恩直截了当地告诉我，从那时起，其他人就必须承认我的成果；我的实验将成为标准，我感到很高兴，并且第一次感觉自己像一名物理学家。
图10 当温度大于0 K 时两个具有不同能隙的超导体之间的隧道效应。(A)。两个导体之间没有施加电压。 （二）。当施加电压时，越来越多的热激发电子将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，所有受激电子都会在右侧找到空态。 （三）。随着电压进一步增加，就没有更多的电子发挥作用，电流会随着电压的增加而减少，因为可以接受隧道电子的态数量减少。当电压足够高时，左侧超导体能隙以下的电子对应右侧的空态，电流会迅速增大。 （四）。预期伏安特性示意图。
那是我一生中最激动人心的时刻；我们有一些很好的想法来改进实验并将其扩展到各种材料，例如常见金属、磁性材料和半导体。我记得我们在喝咖啡时非正式地讨论了下一步要尝试什么，其中一张是1960年拍摄的照片，如图9所示。说实话，这些照片是摆拍的，我们通常不会穿得那么正式，而且我也不会负责在黑板上做推演！我们的大多数想法都不是很有效，哈里森很快就推出了一个理论，证明生活毕竟是复杂的。但超导实验很有趣，而且总是有效的。看来隧道概率与超导态的密度成正比。现在，如果认为这是严格正确的，那么就不难认识到两个超导体之间的隧道应该表现出负电阻特性，如图10所示。负电阻特性当然意味着放大器、振荡器和其他器件。但我身边没有通过液氦减压制冷使铝超导的设备。这次我不得不离开我们的大楼并重新启动隔壁大楼的旧低温装置。果然，一旦铝超导，就会出现负电阻，事实上，隧道概率与态密度成正比的想法在实验上是正确的。图11 显示了一个典型的实验特征。
图11 两种不同超导体之间的隧道实验获得的负阻特性。
事情进展得很顺利，因为利用这种效应我们可以制造各种电子设备，但当然，它们只能在低温下工作。我们应该记住，1960 年半导体器件还没有那么先进，我们认为超导结很有希望与它们竞争（例如Esaki 二极管）。我面临的基本问题是走哪条路，工程还是科学？我决定先做科学，并得到了我的导师罗兰·施密特的全力支持。
现在回想起来，我意识到施密特让我们探索这个全新的领域是多么诱人，尤其是我们周围有这么多经验丰富的物理学家。相反，施密特在适当的时候向我介绍了一位同事卡尔·梅格尔（Karl Megerle），他作为培训研究员加入了我们的实验室。麦吉尔和我合作得很好，很快我们就发表了一篇论文，讨论了许多基本效应。
图12 低温下引线结的归一化微分电导。简单的BCS 理论预测，随着能量的增加，微分电导应渐近接近1。但相反，我们可以观察到4倍超导能隙和8倍超导能隙之间的几次摆动。这些摆动与铅中的声子谱有关。
对于物理学来说，将实验扩展到更高的能量、更强的磁场，或者在我们的例子中，扩展到更低的温度一直很重要。因此，我们与Howard Hart 合作，他刚刚制造了一台氦3 冰箱，能够将温度降至0.3K。同时，Mager 构建了一个锁定放大器，我们可以用它来直接测量微分电导。这是一种相当漂亮的仪器，其中的磁铁以每秒八转的速度绕着拾波线圈旋转，但它当然远不如现代的锁相放大器。我们早就知道铅的伏安特性曲线存在异常，现在我们终于能够通过检测微分电导曲线中的额外摆动来确定这一点。如图12所示。这个结果让我们非常高兴，因为迄今为止我们所做的所有隧道实验都是为了证实BCS理论，而这并不是一个实验物理学家真正想做的事情。我们的梦想是证明一个著名的理论是错误的，现在我们终于在它上面戳了一个洞。我们当时假设这些摆动与声子有关，声子被认为是超导体中有吸引力的电子-电子相互作用的来源。但一如既往，理论物理学家挽救了局面。他们巧妙地利用这些摆动对理论进行了适当的扩展，证明了BCS理论确实是正确的。巴丁教授在最近的诺贝尔演讲中详细描述了这一结果。
到目前为止，我一直在谈论GE当时的研究。有时我很难意识到斯克内克塔迪不是世界的中心。其他几个小组也开始研究隧道挖掘。以下只是其中的一些：J.M. Rowel 和W.L.麦克米伦. W.L.麦克米伦阐明了超导体中的声子结构；当然，W.J.托马什坚持要找到他的发现；当我们进行实验时，S. Shapiro 和他的同事正在两个超导体之间进行隧道实验； J. Bardeen 和后来的M.H.科恩等人负责了大部分的理论研究。
图13 束缚磁场对隧道特性的影响。曲线1是初始状态曲线，曲线3具有中等大小的磁场，曲线2具有去除磁场的状态。曲线l中有一个很小的非耗散电流，我们认为这是由于金属短路造成的。但现在回想起来，这其实是约瑟夫森效应造成的！
与此同时，我完成了RPI 的课程，并决定和亨廷顿教授一起做一个关于有序-无序合金的理论课题，因为我们已经对超导中的隧道效应有了基本的了解。然后有人让我想起了Brian Josephson 在《物理学快报》 上写的一篇短文——我想到了什么？好吧，我不明白。但不久之后，我有机会在剑桥见到了约瑟夫森本人，并对他的工作留下了深刻的印象。约瑟夫森预测的效应之一是，当两侧的金属处于超导状态时，零压降超流体穿过氧化物势垒的可能性。这种现象现在被称为直流约瑟夫森效应。我们已经多次测量了这种行为，事实上，在测量“锡-锡氧化物-锡”结或“铅-铅氧化物-铅”结时很难不看到这种电流。早期的隧道结通常使用氧化铝，而氧化铝一般比较厚，因此热波动会抑制直流电流。 McGeer 和我的第一篇论文中有这样一条曲线，如图13 所示，它显示了这样的超流体，并且它强烈依赖于磁场。不过，当时我对这种现象有一个现成的解释，那就是金属电极短路了。当时我很困惑，因为从逻辑上讲，这么小的触点不应该有这么大的磁场敏感性，但没有人知道20长和20宽的触点会发生什么。如果说作为一名科学家我学到了什么的话，那就是当一个简单的解释就能解决问题时，你不应该把事情复杂化。因此，我们生产的所有观察到约瑟夫森效应的样品都作为短路样品被丢弃。但显然这次我想得太简单了！后来多次被问到是否会因为错过这个效果而感到难过？答案当然是否定的，因为仅仅观察某些事物并不能算是实验发现。我们还必须认识到这一现象背后的物理意义，而在这个例子中我什至还没有接近这一点。即使在我真正理解了直流约瑟夫森效应之后，我仍然觉得它与短路没有区别，所以我错误地认为只有观察交流约瑟夫森效应才能证实或证伪约瑟夫森的理论。
总的来说，我希望这个相当个人化的叙述能够为科学探究的本质提供一些浅显的见解。我自己的信念是，科学发现的道路往往不那么直接，也不一定需要先进的专业知识。事实上，我相信一个领域的新手往往有很大的优势，因为他不知道不尝试特定实验背后的复杂原因。然而，当您需要一些建议时，能够从不同领域的专家那里获得帮助非常重要。对我来说最重要的是我在正确的时间出现在正确的地点，并且我在GE内外有很多朋友无私地支持我。
