黄昆: 中国半导体技术的奠基人

 

 

“不事张扬,默默耕耘,为科技事业鞠躬尽瘁”,这17个字就是世界著名理论物理学家黄昆的写照。“黄散射”、“黄方程”、“黄—里斯因子”、“黄一朱模型”,这一系列以其姓氏命名的研究成果反映了黄昆在固体物理学领域的巨大贡献。他是晶格动力学的奠基人、声子物理学科的开拓者、中国固体物理学的先驱、中国半导体技术奠基人,他的理论对信息产业(特别是光电子产业)具有重要的现实指导意义,有着越来越深远的影响。除了潜心研究之外,黄昆还不时执掌教鞭,传承学术,为我国物理学研究培养出了许多杰出的栋梁之才。

 

 

  黄昆1919年生于北京,1941年从北京大学毕业,1944年获西南联大的硕士学位。1945年,黄昆留学英国布里斯托尔大学,师从著名的理论物理学家、后来荣获诺贝尔奖的莫特教授,研究方向选定为固体物理学。由此,黄昆进入了其主要学术贡献的第一个高峰期。

  留学几个月后,黄昆就完成了论文《稀固溶体的X光漫散射》。在这篇论文中,他大胆地提出了关于杂质和缺陷X光的散射理论模型。20年后,黄昆提出的理论模型被德国科学家证实,国际学术界随即将它称为X光“黄散射”。

  在布里斯托尔大学读书期间,黄昆曾于1947年5月中旬到爱丁堡大学玻恩教授处短期工作过。在工作过程中,玻恩发现黄昆对晶格动力学非常熟悉,而且还有自己深邃而独到的见解。于是,玻恩便邀请黄昆与自己合著因诸多原因一度搁置的《晶格动力学》一书。黄昆历时4年完成了《晶格动力学》的撰写。在《晶格动力学》中,黄昆不仅以严谨的论述和非常清晰的物理图像对这个固体物理学中的最基本领域进行了系统的总结,而且还以一系列创造性的工作发展和完善了这个领域。在写作的过程中,黄昆与玻恩教授曾为要不要在点阵动力学的系统推导之前加上基本导论性的三章发生了争论,最后玻恩教授同意了黄昆的意见,作出了让步。谁也不曾料想到的是,1960年激光被发现之后,黄昆当初写进书里的内容被一一证实,这也奠定了黄昆在固体物理学领域的权威地位。玻恩这位诺贝尔奖获得者对黄昆的工作也给予了很高的评价,他曾在给爱因斯坦的信中说:“书稿内容现在已经完全超越了我的理论,我能懂得年轻的黄昆以我们两人的名义所写的东西,就很高兴了。”

  《晶格动力学》问世以来,多次再版并一再重印,还被译成多国文字,成为有关学科研究生的必读参考书。而且在将近半个世纪后,牛津大学出版社把它列入了“牛津经典物理著作丛书”。1975年至2001年3月,该书的英文版被引用5254次,俄文版被引用376次,平均每年200多次。

  在撰写《晶格动力学》的同时,黄昆还连续完成了两项开拓性的学术贡献:一是提出著名的“黄方程”和“声子极化激元”概念;二是与后来成为他妻子的里斯共同提出“黄-里斯理论”。他与妻子在1950年合写的这篇论文,至今仍是在这个领域工作的科学家们必引的经典文献。

  1951年年底,黄昆回国到北京大学物理系任教授,当时各高校正在“学习苏联先进经验”,教学和科研分家。考虑到我国百废待兴,亟须培养大批物理学人才,黄昆毅然中断了基础研究,离开科研一线,一心扑在教学上,开始了长达26年的教学生涯。

  黄昆率先提出在北京大学开设“固体物理”课程及“半导体物理”课程。1953年,他首先为研究生开设固体理论课,讲授晶格动力学和固体电子论。同年秋天,北京大学物理系设立了固体物理、光学、无线电电子学、理论物理等专门化教研室,黄昆被任命为固体物理专门化教研室主任。1960年,在他的建议下,北京大学在本科生中普遍开设了“固体物理”课程,固体物理正式成为物理专业的基础课。经过多年的反复实践,固体物理从无到有,逐渐形成了系统的专业物理课程,从事“两弹一星”研究的许多科技人员都从这里走出,或者曾经聆听过他的授课。

  黄昆非常重视讲课的讲义,他认为讲义对问题的讲解必须具体、精确,基本概念和理论的阐述必须明确。然而,当时国内外有的只是某一领域的专著,并没有现成的教材。黄昆在多年授课讲义的基础上,修改撰写了《固体物理学》,又与谢希德教授合著了《半导体物理学》。这两本著作都是在没有参照蓝本的情况下编著的教科书,以讲解透彻、精辟著称,在很长一段时间内成为我国理工专业学生和科研人员的必读著作。

  26年的讲台生涯让黄昆桃李满天下,他培养的一批批学生、助手已茁壮成长,正活跃在各自的工作岗位上,挑起了固体物理学科研和教学的大梁。“渡重洋迎朝晖心系祖国傲视功名富贵如草芥;攀高峰历磨难志兴华夏欣闻徒子徒孙尽栋梁。”正是对黄昆矢志不渝为中国固体物理教育事业作出无私奉献的写照。

  1977年秋天,黄昆迎来了他命运的一个转折点,被调到中国科学院半导体所担任所长。26年之后,黄昆再一次回到科研第一线,迎来了他学术生涯的第二个黄金时代。

  对于这一转折,黄昆是这样看的:“自教学岗位转到科研岗位,这无疑又是一次客观形势的变化。到了研究所不做研究工作说不过去,这对年近六十的我来讲,又是一个新的要求。”1984年以后,黄昆和朱邦芬都开始研究半导体量子阱超晶格物理,在长达两年的时间里,两人为建立超晶格光学振动的理论而不断讨论和争论。1988年,黄昆和朱邦芬发表后来被国际上称为“黄朱模型”的理论。“黄朱模型”澄清了原来理论和实验出现矛盾的原因,提出和发展了关于半导体超晶格光学振动的系统理论。“黄朱模型”一经发表便在国际上引起了普遍重视,不仅被作为该领域必读文献列入许多国外专著和研究生教材,还引发了一系列的理论和实验研究工作,推动了这一研究领域的深入发展。

  作为一所之长,黄昆在组织领导半导体所科学研究的同时,还十分注重全所科研人员学术水平的提高。他要求科研工作者不仅要知其然,更要知其所以然,因此黄昆决定重操旧业,上台讲课。平时要搞科研,无暇备课,因此每到星期天,黄昆便会在自家门上挂上“黄昆不在家”的牌子,谢绝打扰,专心备课。1978年年初开始,黄昆每周抽出半天时间给全所科研人员讲授半导体物理的理论基础,前后共讲了10个月,不仅使全所科研人员的学术水平有了显著提高,而且营造了一个理论与实践结合、学术空气活跃的研究氛围。

  黄昆“一生都在科学的世界里探求真谛,一生都在默默地传递着知识的薪火,面对名利的起落,他淡然处之。他不仅以自己严谨和勤奋的科学态度在科学的领域里为人类的进步作出卓越的贡献,更以淡泊名利和率真的人生态度诠释了一个科学家的人格本质”。

 

本文选自《百年海归  创新中国》,主编中国与全球化智库(CCG)主任王辉耀,人民出版社