前言

每个人都知道，今天的世界和100年前甚至50年前，都是完全不一样的。这不同主要表现在哪里呢? 如果用两个字来概括这当中的差异，恐怕大多数人会说出“信息”这两个字。的确如此，今天的世界中，有恢宏无际的网络、漫天飞舞的电磁波，里面包含着种类繁多、膨胀到要爆炸的信息，它们充满了世界的每个角落，随时随地、无处不在。几十年前有关通信的诸多梦想，如今都已成为现实。这一切可以用一句话来概括： 人类迈入了信息社会。然而，是什么在支撑着这个信息社会呢? 毋庸置疑，是近年来蓬勃发展、如日中天的各种高科技，其中包括计算机技术、软件、网络、通信、信息、人工智能、云计算……不胜枚举。而在这些形形色色、五花八门的技术后面，又有一个最基础和最重要的，那就是集成电路技术。

1958年，第一个半导体集成电路问世，由此为半导体产业带来了革命性的变化，也从而加快了各类技术的发展进程。1965年，与集成电路发明人之一罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)一起创办英特尔公司的戈登·摩尔(Gordon Moore)，提出了著名的摩尔定律。他预言： 集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，而集成电路的性能(计算能力)也将提升一倍。

几十年来，集成电路的演进似乎的确遵循着摩尔预言的这种指数规律。但是，仅仅依靠工程技术的演变，不可能将这种发展速度永远保持下去。近年来，摩尔定律面临挑战、遭遇瓶颈，集成电路在进一步发展的道路上，碰到了难以解决的问题。

集成电路的基础材料是半导体，其工作机制是隐藏于它背后、鲜有人知的物理原理。换言之，是基于量子理论建立起来的固体物理理论，赋予了集成电路技术“体积不断缩小、速度不断加快”的超级能力。电子技术几十年来突飞猛进发展的根源在于物理学中量子理论的成功。

与电子技术同行，物理学也走过了它大半个世纪的辉煌历程，当我们从工程界转过头来回顾基础物理研究时，同样感到大吃一惊。物理学家们几十年的努力，已经硕果累累。20世纪初期，物理学的两个重大革命，量子力学和相对论，正在被越来越多的实验结果和天文观测现象所证实。并且，其成果被广泛用于造福人类，特别是促进了文明社会中信息技术突飞猛进的发展。

尤其已有100多年历史的量子力学，可以说已经是一门十分成熟又非常成功的物理理论。它精确地描述了微观世界的物理规律，曾经直接奠定了原子弹、核技术、光学、半导体工业等的物理基础，如今又在精密测量、量子计算、信息加密等现代高科技领域发挥作用。前面所述的、基于固体物理的半导体技术，可以说是量子力学最广泛和最为成功的应用。

近年来，理论物理学的研究方向，除了一如既往地“上穷碧落下黄泉”，追寻时空尺度极大和极小两个极端，还朝着复杂性的方向发展。

其中，凝聚态物理是一个典型的例子。当半导体技术在通信领域大显身手之时，固体物理也逐渐被扩展延拓和提升成了凝聚态物理，并且已经成为物理学中最为活跃且最广受关注的研究分支。

凝聚态物理的概念出现于20世纪70年代。就名称的变化而言，它的研究对象从固体物质扩展到了许多液态物质，诸如液氦、熔盐、液晶等，甚至某些特殊气态物质，如玻色爱因斯坦凝聚的玻色气体和量子简并的费米气体。然而，凝聚态物理更为重要的方面，是它接受了量子理论的全面渗透和参与。以二级相变、对称性破缺，以及低温、超导等理论为基础，凝聚态物理的研究层次，可以从宏观、介观到微观；  涉及的空间维数，包括三维到低维和分数维；  结构从周期、准周期到非周期，还可以包括各种复杂的极端边界条件。因此是一个崭新的、比固体物理复杂得多的理论体系。

我们在前面提到过电子集成技术中的摩尔定律。这个定律即将终结，原因是基于物质材料的限制。而如今，在凝聚态的实验中，物理学家们发现了大量新型材料和各类性质奇特的物态。此外，凝聚态物理中对常温下超导超流进行了深入的研究，这些都激发起人们对新功能材料无限的遐想和憧憬，为电子技术的变革再辟蹊径。

对固体中电子行为的研究一直是固体物理的核心问题。凝聚态物理中情况依然如此。

从半导体材料到凝聚态物理研究中形形色色的量子物态，电子运动的模式都在其中起着至关重要的核心作用。电子，这个美妙的舞者，按照量子力学的规律，在微观世界里跳着各种奇特的舞蹈! 那么，电子在半导体中究竟是怎样舞蹈的呢? 在不同量子态中，又如何才能充分发挥电子更多、更奇特的内禀属性，比如自旋，让电子跳出更美妙、更有实用价值的舞蹈呢?

为此，本书作者将带你探索这些问题的答案，走近与此有关的物理及工程领域。从回顾半导体以及电的历史开始，到三只脚的魔术师——晶体管的发明；  从原子模型的历史演化，到热门的自旋电子学研究，再到目前的纳米技术以及凝聚态中的前沿进展，如量子霍尔效应、拓扑绝缘体、高温超导等，本书中都有详细的介绍。

第1章主要是回顾历史；  第2章则以固体中的能带论为主线，描述电子如何在费米能级附近舞蹈，从物理角度解释半导体器件的工作原理；  第3章介绍近年发展起来的自旋电子学；  第4章则讨论凝聚态物理中的各种量子霍尔态。

本书既讲科学，也说技术；  既聊历史，也谈现状；  既介绍科学家们所做的工作，也说说他们的趣闻轶事和个性生平。它不仅限于物理学，而是横跨了科学和技术多个领域。它不仅讲解电子器件，也深刻剖析其中的工作原理；  既有半导体及凝聚态物理的历史，也有这些领域最新的发展状况。在讲述电子学历史的过程中，又介绍这些发现、发明背后隐藏的物理知识。此外，还介绍了近年来各种纳米新材料的基本概念、有趣性质，以及它们的应用和前景。

电子技术及物理科学的大门敞开着，等待年轻人的参与，但愿这本书能带你轻松入门。