数理科学奖

  黄昆 物理学家。1919年9月2日生于北京,原籍浙江嘉兴。1941年燕京大学物理系毕业, 获理学学士学位。 1942-1944 年就读于西南联合大学研究院,获理学硕士学位。1945-1948年在英国布里斯托尔大学物理系学习,获哲学博士学位。1955年被选聘为中国科学院院士( 学部委员)。1980年当选为瑞典皇家科学院国外院士。1985年当选为第三世界科学院院士。现任中国科学院半导体研究所名誉所长、研究员。曾任北京大学物理系教授、中国科学院半导体研究所所长等。

  黄昆是世界著名的物理学家,国际上公认的晶格动力学的奠基人之一和权威,声子物理学科的奠基人,为现代固体理论的发展作出了卓越的贡献。他的名字与多声子跃迁理论、X 射线漫散射理论、晶格振动长波唯象方程、二维体系光学声子模联系在一起。他是“极化激元”概念的最早阐述者。黄昆还是杰出的教育家,是中国固体物理和半导体物理学科的一位开创者和奠基人,培养了一大批中国物理学家和半导体科学技术专家。他还是新中国半导体工业的倡导者。半个世纪以来,黄昆致力于凝聚态物理科学研究和教育,对于推动世界科学发展,对于促进中国科学技术进步作出了重要贡献。

  一、多声子跃迁理论的创始人
 
  基于晶格弛豫概念,即电子基态与激发态可以对应不同的晶格平衡位置,他于1950年提出了多声子跃迁的量子理论。黄昆等证明,由于晶格弛豫,电子跃迁过程中振动量子数可以任意改变,而跃迁几率不为零。这个革命性的概念,奠定了固体中束缚在杂质和缺陷上的局域电子态跃迁理论的基础,是现代多体理论中“Mahan 奇异性”和“正交灾难”的先驱。黄昆等还预言,发射 n 个声子的跃迁几率呈泊松分布,其参变量S依赖于晶格弛豫和声子频率。黄昆等关于光跃迁和无辐射跃迁的多声子理论先后在 60年代和70年代被实验所证实。人们常称多声子跃迁理论为“黄 -Rhys 理论”,S 因子被命名为“黄-Rhys 因子”《 F- 色心光吸收和无辐射跃迁理论》这篇著名论文虽已发表近半个世纪,但据 SCI 统计,仅 1974 年以来就被引用389 次,成为该领域经典文献之一。1979 年黄昆又发现,用于无辐射跃迁理论的康登近似,实质上是把跃迁计算中的一阶微扰与包含高阶微扰的晶格弛豫混合并用;并且证明,一旦消除了这种不自洽性,绝热近似与静态耦合在一级近似下是等价的,从而澄清了30年来无辐射跃迁理论中曾出现的混乱,为该理论的发展作出了新的重大贡献。黄昆还提出了多声子多频模型,以解释实验疑点。
 
  二、极化激元研究领域的开创者和“黄方程”的提出者
 
  1950 年,他提出了一对描述极性晶体中长波长光学振动位移宏观电场和极化强度关系的唯象方程,即众所周知的“黄方程”,奠定了极性晶体光学振动的研究基础。利用“黄方程”,黄昆最早提出了极化激元的新概念:横光学振动和电磁波相耦合成一种新的本征模式,电磁波在极性晶体内的传播模式即为介质的这种模式的元激发。黄昆的预言在 1965 年被实验所证实, 他的题为《关于辐射场和离子晶体的相互作用》的论文被第一届国际极化激元会议评价为该领域的一个里程碑。极化激元概念并推广至其他元激发与电磁场的耦合。
 
  三、黄昆与玻恩 (M.Born) 合著的《晶格动力学》一书是该学科的第一本权威著作
 
  关于黄昆对该书的贡献,玻恩在原序中写道:“本书之最终形式和撰写应基本上归功于黄博士。”《晶格动力学》这部专著问世40余年来,被译成多种文字,一再重印,是所有固体物理学教科书及晶格动力学专著的标准参考文献,在国际物理学界享有盛誉。英国爱丁堡大学理学院院长、晶格动力学权威 W. Cochran 在他写的《晶格中的原子动力学》一书的1973 年版引言中说:“玻恩和黄昆在1954 年出版的《晶格动力学》,至今仍是这个学科的主要方面的权威著作。”
 
  四、提出杂质或缺陷导致的长程晶格畸变引起X 射线漫散射的机制,开创了 X 射线研究中的一个新的分支领域
 
  他在1948年建立的关于缺陷长程弹性位移场在衍射峰附近产生的漫散射强度理论,于 1967年为实验所证实,并被命名为“黄漫散射”。利用黄漫散射强度分布,可以推导出点缺陷的结构(种类、对称性、大小),从而发展为一种能直接研究晶体中微观缺陷的实验手段。
 
  五、近年来黄昆和他的研究组在超晶格电子态和声子模理论研究中作出了一系列国际领先的成果
 
  1965年以来,准二维系统的光学声子模式,一直是沿用由宏观介电模型导出的片层(slab) 模。1987年,黄昆等设计了一个与宏观介电模型完全相容但包含色散的“偶极子超晶格”模型。据此,黄昆等指出,国际上沿用 20 余年的slab 模是不完善的。不但因割裂界面模与类体模之间的内在联系而导致对称性有误,而且光学声子类体模的光学位移及静电势在界面处均应为节点。黄昆还给出了准二维系统光学声子的解析表达式。黄昆等关于准二维系统光学声子的理论在国际上被称为“黄-朱模型”,纠正了国际上沿用20余年的理论模型的缺陷,引起了普遍重视。《连续介电模型和超晶格中 Frohlich 势》一文,据 SCI 统计,发表以来已被引用155 次,是中国近年被引用最多的物理文献。由此国际上开展了一系列的研究工作,一些专门设计的实验证实了黄-朱模型。黄昆等在此基础上,成功地提出国际上第一个超晶格光学声子喇曼散射微观理论,明确回答了为什么导体材料中电偶极跃迁禁戒的 Frohlich 散射在超晶格中是允许的原因。黄昆和他的研究组还在超晶格电子态结构领域进行了富有成效的研究工作。黄昆等创造了一种用有限几个平面波展开计算超晶格空穴子带结构的方法,并将其用于量子阱中激子态,外电磁场下超晶格能带,一维及零维量子结构的研究,使中国在这个领域的研究具有自己的特色。其中,对量子阱中四分量激子旋量态角动量的阐明,首次在国际上给出了正确的量子阱中激子光跃迁选择定则。
 
  六、中国固体物理和半导体物理学科的开创者和奠基人
 
  中国数以万计的学生从他撰写的《半导体物理》(与谢希德合著) 和《固体物理》两本专著开始了解该学科。他长期从事物理教育工作,培养和造就了一大批中国物理学家和半导体科学技术专家。
 
黄昆教授的主要学术论文、著作目录
 
  1. X-ray reflections from dilute solid solution. Proc,Roy. Soc. (London),1947, A190:102-117.
  2. Theory of light absorption and nonradiative transition in F-centers. Proc. Roy. Soc.(London),1950,A204:406-423.(with Rhys A.)
  3. Dymanical Theory of Crystal Lattices. Oxford University Press ,1954.(with Born M.)
  4. On the Interaction between the rediation field and ionic crystals. Proc. Roy. Soc.(London),1951,A208:352-365.
  5. 半导体物理 .北京 : 科学出版社 ,1958.( 合作者 : 谢希德 )
  6. 固体物理 .北京 : 人民教育出版社 ,1966.
  7. Polariton. New York :Perganom Press,1972.(with Burstein E.and Martini F.)
  8. The Dybanics of Atoms in Crystals. Edward Arnold ,1973.(with Cochran W.)
  9. Dielectric continuum model and Frohlich interaction in superlattices. Phys.Rev.1988,B38:13377 --13386.
  10. 无辐射跃迁的绝热近似和静态耦合理论 .中国科学 ,1980,(10): 949-954.