物理學(xué)家楊振寧和半導(dǎo)體有哪些內(nèi)在聯(lián)系？

2025-10-24 09:43:11 11

楊振寧先生本人不是半導(dǎo)體行業(yè)的“工程人物”，但他與半導(dǎo)體之間有一種深層的、物理學(xué)基礎(chǔ)上的聯(lián)系——就像地基與高樓的關(guān)系：他打下的理論地基，支撐了后來整個(gè)固態(tài)電子學(xué)、半導(dǎo)體物理的框架。下面我們分幾層來講。

一、從物理原理上——他奠定了“量子場與對(duì)稱性”的語言體系

半導(dǎo)體的一切，歸根到底是量子力學(xué)在固體中的表現(xiàn)：電子能帶、載流子輸運(yùn)、能隙、雜質(zhì)能級(jí)……
而楊振寧對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)，是把“對(duì)稱性”和“場”的思想確立為現(xiàn)代物理的共同語法。

1954 年他與米爾斯（Mills）提出的 楊–米爾斯規(guī)范場論（Yang–Mills theory），雖然最初用于描述基本粒子相互作用，但它揭示了一個(gè)更廣泛的思想：

“規(guī)律的本質(zhì)，是局域?qū)ΨQ性。”

在半導(dǎo)體里，這種思想以另一種形式出現(xiàn)：

布洛赫波函數(shù)的平移對(duì)稱性 → 產(chǎn)生能帶；
晶格缺陷、應(yīng)變、外場打破對(duì)稱性 → 改變載流子行為；
拓?fù)浣^緣體、二維材料中的量子霍爾效應(yīng) → 依然是“對(duì)稱性破缺與守恒”的故事。

換句話說：

楊振寧給出了現(xiàn)代物理描述“電子*”的語法，這種語法也正是半導(dǎo)體理論的底層語言。

二、從科學(xué)譜系上——他影響了一整代“固體物理的思維方式”

20 世紀(jì) 50–70 年代是半導(dǎo)體物理的黃金期：能帶理論、pn 結(jié)、電輸運(yùn)、MOS 結(jié)構(gòu)都在成型。
那一代做半導(dǎo)體的人，很多在量子場論和統(tǒng)計(jì)物理的訓(xùn)練下成長，他們直接受益于楊振寧這一類物理學(xué)家的啟發(fā)。

比如：

楊振寧早期的統(tǒng)計(jì)力學(xué)與相變研究（如楊–李零點(diǎn)理論），對(duì)理解載流子濃度、相變、能帶重構(gòu)提供了數(shù)學(xué)框架。
他主張的“從對(duì)稱性出發(fā)看物理”的方法，影響了后來的晶格群論、能帶對(duì)稱性分析、電子結(jié)構(gòu)計(jì)算。
這些思想滲透進(jìn)了半導(dǎo)體計(jì)算模型、能帶工程、甚至 EDA 的物理內(nèi)核。

三、從學(xué)術(shù)傳承上——他是“固體物理精神”的橋梁人物

楊振寧在普林斯頓、芝加哥、香港中大等地長期指導(dǎo)學(xué)生，其中不少人轉(zhuǎn)向凝聚態(tài)、低維材料、量子器件方向。

他本人晚年對(duì)凝聚態(tài)物理、超導(dǎo)、拓?fù)湮飸B(tài)的興趣也很濃——這些領(lǐng)域正是“半導(dǎo)體+量子物理”的交匯地。
現(xiàn)在你聽到的許多關(guān)鍵詞：“拓?fù)湎唷erry 相、規(guī)范場在固體中的實(shí)現(xiàn)”，都是在楊–米爾斯框架的語言里長出來的。

可以說：

如果沒有楊振寧那一代人把“場論思維”帶進(jìn)固體物理，今天我們理解二維電子氣、拓?fù)浒虢饘伲紩?huì)更困難。

四、從哲學(xué)意義上——他提醒工程界：規(guī)律比現(xiàn)象更深

楊振寧喜歡講一句話：“物理學(xué)的美，是從對(duì)稱性中生出來的。”
這句話放到半導(dǎo)體行業(yè)里，其實(shí)是一個(gè)很好的警醒：

半導(dǎo)體工程師常被日常數(shù)據(jù)淹沒——厚度、摻雜、應(yīng)力、閾值電壓……
但所有這些現(xiàn)象背后，都在遵循幾個(gè)最根本的“對(duì)稱與破缺”的法則。
懂這些規(guī)律，才能“預(yù)見變化”，而不僅是“調(diào)參數(shù)”。

這其實(shí)也是楊振寧思想對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)最深遠(yuǎn)的啟發(fā)：

他讓我們相信：工藝的極限，往往隱藏在物理的對(duì)稱性里。

五、總結(jié)一句話

楊振寧和半導(dǎo)體的關(guān)系，不在于他造過晶圓，而在于他提供了晶圓*的語言。
他讓我們理解電子為什么能形成能帶，為什么能在對(duì)稱破缺的*里流動(dòng)、導(dǎo)電、發(fā)光。
沒有那種層次的物理思維，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)就少了“底氣”——只有經(jīng)驗(yàn)，沒有原理。

如果把整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)比作一棟摩天大樓，材料科學(xué)、工藝工程是鋼筋水泥；電路設(shè)計(jì)與算法是裝潢與電力系統(tǒng)；楊振寧這一類理論物理學(xué)家提供的，是那根看不見的“力學(xué)規(guī)則”——告訴我們，這棟樓為什么能站得住。

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