物理群星
崔琦 肖像

图:Istvan Hargittai,1999 年摄于普林斯顿 / Wikimedia Commons / CC BY 4.0

崔琦

Daniel C. Tsui

1939–今 · 生于中国河南宝丰 · 美国

凝聚态

少年时离开河南的村子,再没见过父母;四十二岁时在一块半导体上看到三分之一,脱口喊了一声「夸克」

诺贝尔物理学奖 1998 发现了一种具有分数电荷激发的新型量子流体(与劳克林、施特默共享)

「也许是我身上的孔子,那个我独处时常常听见的微弱声音:唯一有意义的人生是学习的人生。还有什么比教书更好的学习方式呢?」

—— 1998 年诺贝尔奖自传,谈为何离开贝尔实验室去普林斯顿教书(据英文原文译)

崔琦在诺贝尔奖自传的开头说,他的人生由几段互不相干的经历拼成,把它们连起来的只有一条线:一生中身边的人给他的善意、慷慨与友谊。那几段经历之间的距离,比大多数物理学家一辈子走过的路都远——从河南乡下的一块田,到贝尔实验室的强磁场。

离开村子

他 1939 年生在河南宝丰县的一个村庄。自传里对童年的记忆是「旱灾、水灾和战乱的年月」,也有父母「舍己的爱」和他们为他制造的快乐时光。父母和村里大多数人一样,一辈子没有机会识字;他写道,正是不识字的苦,让他们下定决心,无论付出什么代价,都不让孩子再走同一条路。

1951 年初,父母抓住了「第一个、也许是唯一一个」机会,把他送出村子,去一个他们自己从未去过的远方读书——香港。

他此后再没有见过父母。他们在他离乡之后相继去世。关于他怎么谈起这件事,流传最广的是主持人杨澜的回忆。据她记述,1999 年在普林斯顿采访时,崔琦说:「其实我宁愿是一个不识字的农民。如果我还留在农村,留在父母身边,家里有一个儿子毕竟不一样,也许他们不至于饿死吧。」这是杨澜事后的转述,他本人在自传里没有写到父母去世的经过。

香港、伊利诺伊、芝加哥

到香港时他不会说粤语,从小学六年级读起,第二年中途进了培正中学。他在自传里特别记下培正的老师:他们让学生越过「钱的符号」往前看,把探索人类知识的新疆界当成一件值得去做、也有挑战的事。

1957 年他从培正毕业,考上了台湾大学医学院,却没有去——当时不清楚父母的境况,也不知道自己还能不能回到大陆。他留在香港读了两年预科。1958 年,他拿到全额奖学金,去了伊利诺伊州罗克艾兰的奥古斯塔纳学院,那是他教会牧师的母校。他在那里度过了自己说的「一生中最好的三年」。

读研究生选哪里,他说从来不是问题。1957 年杨振宁和李政道拿了诺贝尔奖,两人都出自芝加哥大学,「他们是我这一代中国学生的榜样,去芝加哥大学读研究生就是理想中的朝圣」。在芝加哥,他跟着罗亚尔·史达克建实验室,从工程制图、焊接、机加工到设计和搭建仪器,都从头学起。他在自传里说,自己很早就明白,要做实验物理,但既没有搞庞大装置的本事,也没有那份宏大的兴趣:「我想做桌面上的实验,想被允许动手摆弄。」1967 年,他拿到博士学位。

贝尔实验室的十四年

1968 年早春他进了贝尔实验室,此后一直研究被限制在二维平面里的电子:在砷化铟的隧穿实验里看到二维电子的量子化能级,在硅场效应管里寻找局域化转变,一次次把样品带去麻省理工学院的强磁场实验室。

分子束外延和调制掺杂出现以后,他和施特默、戈萨德有了一个共识:想找到新的多体物理,就把最干净的二维电子样品放进最强的磁场。1981 年 10 月,他和施特默照这个思路做了一次实验。按施特默的回忆,看到那个意外的新平台时,崔琦用两根手指量了量它的位置,发现是三倍,喊了一声「夸克!」——三分之一电荷,此前只在夸克身上出现过。那次实验和它引出的一切,详见本站「分数量子霍尔效应」页。

普林斯顿

几个月后,1982 年 2 月,他离开贝尔实验室,去普林斯顿大学电机工程系当教授。许多朋友和同事问过他为什么,他在自传里说自己至今不知道答案,也许和童年缺的那些课有关,也许是「我身上的孔子」。

1998 年 10 月 13 日早上,他从收音机里听说自己得了诺贝尔奖,照原计划先去校外赴了一个约,然后才去办公室。下午学校匆忙开了一场记者会,他感谢普林斯顿给了他一份工作,让他能「做有趣、有意思、有挑战的事,还能领到工资」。同事们对他的描述是害羞、谦逊,每周在实验室里待六七十个小时。

他 2010 年转为荣休教授。2025 年,普林斯顿授予他荣誉博士学位。

回乡

离开河南六十多年后,2013 年 10 月,他第一次回到河南,在郑州大学的座谈会上说:「我从乡下出来,没有见过城里的电,我也想过将来回去,让家里也有灯。」半年后的 2014 年 4 月,他带着妻子、女儿一家回到宝丰县的村子,去看了故居,也去看了 2007 年他捐建、以他名字命名的希望小学。

代表方程

三分之一处的霍尔平台

ρxy=hνe2,ν=13\rho_{xy} = \frac{h}{\nu e^{2}}, \qquad \nu = \frac{1}{3}

冯·克利青看到的平台落在 ν\nu 取整数的地方;1981 年 10 月,崔琦与施特默在约 15 特斯拉的磁场里看到一个新平台,霍尔电阻正好是 3h/e23h/e^2,对应 ν=1/3\nu = 1/3。单个电子解释不了一个分数,这个平台说明电子结成了一种新的集体状态。

填充因子

ν=n he B\nu = \frac{n\,h}{e\,B}

强磁场把二维电子的状态切成一级级朗道能级,每一级能容纳的电子数与磁场成正比。ν\nu 就是电子密度 nn 与一级能级容量之比。磁场越强,ν\nu 越小;ν=1/3\nu = 1/3 意味着最低一级只填了三分之一。要在这么强的磁场下看清平台,样品必须极其干净。

伟大发现