二战以后,在英国有一批卓越的科学家把低温物理发展成了欣欣向荣的学科,大卫 · 休恩伯格(David Shoenberg)便是其中的一位。他的父亲艾萨克 · 休恩伯格(Isaac Shoenberg,艾萨克爵士)是一位电子工程师,1914年携全家从俄国来到了英格兰,30年代在EMI公司领导了一个小组,负责为BBC发展电视业。
1932年,大卫 · 休恩伯格在剑桥大学成为了彼得 · 卡皮查(Pyotr Kapitza)为数不多的研究生之一。彼得 · 卡皮查是杰出的俄籍工程物理学家,随后他发展了产生高强度磁场的技术。卡皮查开始时让休恩伯格测量铋的磁致伸缩效应——即长度随着磁场而发生微小的变化。这是一个实验科学家干的课题,但是休恩伯格却在3年之后出色地完成了任务。
在那段时间里,休恩伯格是独立工作的:因为在1934年,卡皮查渡过了一年一度的暑假之后,就被禁止从苏联返回英国了。接下来的几年,休恩伯格主要致力于超导电性的研究,并写了一本书,用很长的篇幅对这个主题进行了精彩的介绍。
1937年,卡皮查邀请休恩伯格去了莫斯科,在他新建的实验室里工作了一年。在那里,休恩伯格认真研究了占用他以后50年精力的dHvA效应——低温下金属的磁化率随磁场力的振荡变化现象(该效应首次发现于1930年对铋的研究中)。休恩伯格和伍汀(M. Z. Uddin)在1936年曾发表了一篇简短的论文,但休恩伯格此时的测量远比以往的测量更为灵敏和精确,而这些奇怪的振荡还有待于解释。
鲁道夫 · 佩尔斯(Rudolf Peierls)当时已经提出了一个相当费解的理论解释,但幸运的是,杰出的理论物理学家列夫 · 朗道(Lev Landau)当时也在卡皮查的实验室工作,他立刻提出了一个更加强有力的公式,使对实验结果的分析变得非常简单。但是在1938年,朗道被宣称为“人民的敌人”,他的工作不可能再来被继续引用了。当休恩伯格的工作论文在一本俄文杂志上发表时,其中所有与朗道理论相关的资料都被删掉了。但这篇论文发表在英国皇家学会杂志上时,朗道的这些理论被正确地归结为一个完整的说明包含在他的文章之中。
自从19世纪20年代量子力学出现以来,固态物理领域发展很快,其中的重要问题之一,就是要知道金属中导电电子的性质。尽管当时已经有相当多的理论进展,而1933年汉斯 · 贝特(Hans Bethe)在《物理学》(Handbuch der Physik)上发表的具有重大意义的文章可以作为标志,但它们对实验的影响却很小。
利用朗道的理论,休恩伯格把dHvA效应发展成了一个研究金属导电电子行为的有力工具。金属电子的特性在很大程度上由“费米面”的性质决定。“费米面”定义为充满电子的低能态与无电子的高能态之间的动态分解面。“费米性”决定了这个面的形状,以及它上面电子的速度与碰撞率。运用休恩伯格发展的方法,众多固态物理学家花了许多年的时间来研究“费米性”的科学。
铋是第一种被观测到有振荡现象的金属(或半金属),因为它的导电电子密度小(所以费米面也明显的小),理论证明在适当的低强度磁场下,这可以使振荡效应更易于观测。直到1947年,铋还是唯一一种被观测到具有dHvA效应的金属,但在接下来的几年里,休恩伯格和其他人在别的金属中也发现了这种效应,并对它们进行了研究。
但是,在贵金属铜、银和金之中,对这种效应的观察是非常困难的,那需要强度非常高的磁场。最后,休恩伯格终于非常优美地、巧妙地解决了这个问题,通过让一排与磁铁线圈相连的电容产生放电的方法,产生一个瞬间上升为峰值、又下降为零值的场。这个场对样品产生依赖于时间的振荡磁化,这可以由绕在样品上的探测线圈检测到。1958年,休恩伯格终于成功地在铜丝之中检测到了dHvA效应——尽管后来他在关于磁性振荡的最终文章里还提到:“这个突破来自于幸运和略微有一点不合理的推理”。
产生这种脉冲场的仪器用起来不是那么简单,它通常由休恩伯格的助手劳尔曼(E. Laurmann)操作。劳尔曼是一个沉默寡言的爱沙尼亚人,以前曾经和卡皮查一起工作过。有一次,当结果马上就要出来的时候,劳尔曼出去吃午饭了,于是休恩伯格试图自己来操作这个机器,结果由于意外的电容短路而产生了一声巨响,使他永久的失去了一部分听力。
自从超导磁铁出现以后,dHvA研究中所需要的高强度磁场更容易得到了。dHvA效应已经被用于研究各种金属和各种复杂的现象,包括由休恩伯格和他的学生发现的磁性衰减和“B-H效应”。
后来,研究包括了“费米流效应”(此效应产生于电子之间的相互作用)、重费米子效应(同简单理论的预测相比,电子似乎有更重的有效质量),以及超导电体的“混合态”。在所有这些领域中,dHvA效应都是一个有力的工具。
在他生命的晚期,休恩伯格喜欢到国外旅游,去俄罗斯、印度、美国和其他地方访问他的朋友和以前的学生。他总是问一些看似天真却很重要的问题,他是一位对朋友和蔼、友好、完全坦率的专家,因此他的好朋友遍及许多国家,而这些朋友将会深深的思念他。
本文作者钱伯斯(R. G. Chambers)是布里斯托尔大学H.H.威尔斯物理实验室的名誉物理教授。