留德回忆之一:难忘的E16研究所

加兴科学园区

1985年至1989年,我在慕尼黑工业大学物理系攻读博士学位。物理系所在的小镇叫加兴(Garching),位于离慕尼黑20公里的北郊。加兴以前是个贫穷小镇,自上世纪五十年代起,马克斯-普朗克(Max-Plank)学会(简称马普)陆续在加兴北面建了好几个研究所,如:等离子所,量子光学所,天体物理所,地外物理所等等,还有南欧洲天文台观察站。慕尼黑工业大学的物理系和化学系也在这里建立研究所。形成一个占地颇大的科学园区。


好几位诺贝尔奖得主在加兴科学园区工作过,如:诺贝尔物理奖得主穆斯堡尔(1962年),克里钦(1985年),根策尔(2020年),化学奖得主菲舍尔(1973年)。科学园区的许多工作人员就住在加兴。在加兴的一个新建居民区里,街道全以著名德国科学家命名,如爱因斯坦路,海森堡街,莱布尼兹街,薛定谔小道等等,加兴成了一个科学镇。


慕尼黑工业大学物理系的大楼位于科学园区的最北面,三层楼的建筑,里面有两大类研究所:实验物理研究所(名称以E打头)和理论物理研究所(名称以T打头)。大楼西南角的一楼是我工作过的E16研究所,即第16实验物理研究所,正式名称是固体物理实验研究所。

慕尼黑工业大学物理系大楼,E16在大楼西南角的一楼(中间那一层)

我刚来到E16时,秘书交给我一个钥匙,再三叮嘱,要妥善保存。用这钥匙不但能进自己办公室,还能进E16的各实验室,物理系大楼和物理系图书馆。万一弄丢了就麻烦大了,除非你能证明钥匙掉到海里或人迹罕至的地方,以致于他人不会拿到此钥匙。

 
加兴的原子蛋的雪景。

物理系大楼的南面是马普研究院的等离子所。我的办公室窗口正对着巨大的原子反应堆的建筑,呈蛋状,故称原子蛋(Atomic egg),是加兴科学园区的地标。

德国民间反对核能的势力很强大。在我留德期间,发生过西门子公司的一位负责核能设备的高官被暗杀的事件。为了防止反核能势力的冲击,原子蛋的警戒森严,由特殊的保安公司负责。四周围着两道篱笆,我们经常看见保安人员带着狼狗,在两道篱笆之间的走道上巡逻。
那种狼狗非常凶猛。一天,房东太太告诉我,原子蛋的狼狗把邻居的宠物狗咬死了。那天邻居太太牵着宠物小狗,在乡间小道上散步。迎面撞见一位年轻女保安牵着狼狗走来。邻居太太知道那狼狗凶猛,便抱起小狗,侧身让道。

不料,那狼狗一见小狗,就挣扎着要扑上去。女保安拼命拉住牵狗的绳子,还是不敌狼狗力大而松了手。狼狗挣脱了绳子,将邻居太太扑倒在地,小狗从邻居太太怀里挣脱,企图逃命,那狼狗立即追上去,一下子就把那小狗咬死了。

E16的风气

E16研究所可以用“铁打的营盘,流水的兵”来形容。

“流水的兵”当然是指研究生和访问学者。“铁打的营盘”不仅是指E16的设备与员工:两位教授,一位秘书和五位技工,而且还指研究所的风气。

我的博士导师考赫教授是德裔美国人,1972年从美国来到慕尼黑工业大学物理系,担任E16的所长。他的到来,不仅开展了半导体物理的实验研究,而且开创了研究所里生动活泼,自由开放的风气。

在西德,研究所的所长是正教授(C4),权力很大,就像个小王国的国王。德国人注重师道尊严,通常学生称呼教授,都得恭恭敬敬地称“您”。然而,在E16,无论教授和学生,工人与博士,大家都平起平坐,相互之间都以“你”称呼,而不是“您”。即使对考赫教授,也干脆直呼其昵称:弗瑞德。学生与教授讨论问题,毫无忌惮,坦荡直言,甚至能当众与教授争论。

 
考赫教授和博士生们在实验室里。右起:我,亚瑟,考赫教授,瓦利。

考赫教授开朗豁达,幽默风趣。他的随和性格促成了E16中活泼和谐的风气。他平时不拘小节,大家工作时也都衣着随便。每天来E16上班,先在办公室里换上便鞋,再到实验室里开始干活,轻松自如。

E16经常有外国学者来访问或进修。一位来自东欧的学者刚开始在E16工作时,每天都规规矩矩地穿着正装,系着领带。考赫教授对他说:”你以后把领带留在家里,在这儿不必戴领带。”

考赫教授在半导体物理的领域里很有名望,他不仅是E16研究所的所长,还是德国多个研究机构和基金会的决策人员,而且担任亚历山大·冯·洪堡基金会的评审委员。他经常外出,为德国半导体行业的发展献计献策。

考赫教授为人随和乐观,广交朋友,与许多公司大学和研究所都保持良好的关系,为E16获得许多合作课题以及优质的研究材料。他的声望不仅吸引许多优秀学生来E16攻读学位,还经常有科学家前来访问进修,其中包括一些国际知名的学者。

凡是来到E16的人,都对E16自由开放的风气留下深刻印象。在这里,教授与员工和学生之间和谐相处,能干的秘书将日常事务安排得妥妥贴贴,技工们维持着实验室正常运作,新老研究生们之间互帮互学,教授与研究生之间展开热烈活跃学术讨论。

物理系和E16研究所经常有学术讲座,请外来的学者来演讲。E16还有“咖啡研讨会”。每天午饭后,大家聚在休息区喝咖啡喝茶聊天。考赫教授建议利用这段时间开展研究生之间的交流,故称咖啡研讨会。

在这非正式的研讨会上,研究生讲述自己的研究工作以及遇到的困难。咖啡研讨会拓宽了研究生的知识面,增进了相互之间的了解,促进大家群策群力,广开思路,为解决难题献计献策。

在这和谐的氛围下,研究所的科研工作热火朝天,即使到了晚上,E16里依然热闹,一间间实验室敞开着大门,里面灯火通明,研究生们正在忙于测试,计算,或准备样品。经常有研究生工作到深夜10点多,才离开实验室。

E16的聚会

工作虽然忙碌,E16的聚会却很多。我第一次参加的E16聚会是在1985年7月下旬的夏天聚会(Summer Fest).

德国地处高纬度地区,冬季长,夏季短。德国人特别珍惜夏天时光,纷纷举办夏天聚会,聚会上最常见的是烤乳猪。在慕尼黑所在的巴伐利亚地区,人们爱吃猪肉。曾有位德国朋友与我套近乎,说巴伐利亚和中国特别有缘分,因为它们是世界上以猪肉为主要食用肉的两大地区。

那次夏天聚会在E16的庭院里烤乳猪。乳猪由博士生肖希负责采办。肖希的父母经营一家肉庄,位于高速公路的休息站里。节假日里他家三兄弟得轮流替父母照看店面,由肖希负责采办是最合适不过了。

那天中午,肖希和一位同事扛着一头宰好的大乳猪进来,那头乳猪四脚朝天地绑在一根铁棒上,猪身上已经划满了均匀刀痕,还抹上了调料。

庭院里已搭好铁架,铁架下的碳盆里炉火熊熊,E16的工人们把乳猪安放在铁架上,一台马达驱动着绑乳猪的铁棒,缓缓地在炉火上旋转。烤了没多久,那台马达因负荷太大而过热,工人们再搬来一台风扇,对着马达猛吹。

我第一次看到这样的烧烤,很是新奇。不时放下实验室的活,跑到庭院里去看热闹。看到用这些实验室的设备来烤乳猪,感到很好笑。

烤乳猪从中午12点开始,足足烤了7个小时,到下午7点才大功告成。E16所有人都围坐在庭院里,开始大块吃烤肉,大杯喝啤酒,再加上大盆的新鲜色拉菜,大快朵颐。

 
E16的研究生们在E16庭院里的夏天聚会上。

E16的聚会大小不一,形式多样。除了夏天在庭院里烧烤之外,大多数聚会在研究所内的休息区举行,如迎接新年,博士告别宴会,等等。


E16的研究生们在啤酒节上。

每逢慕尼黑的啤酒节期间,E16的全体成员会抽出一个下午,一起进城参加啤酒节。

啤酒节广场上,各家啤酒厂搭起一座座帐篷。帐篷里面很热闹,有乐队不停地演奏音乐,顾客们随着音乐,又喝酒又唱歌,唱得兴起时,甚至站到桌子上跳舞。E16的学子们虽然年轻,还不致于失态到如此地步。我们通常都围坐在室外的野餐桌上,不敢坐在帐篷里

有一年,E16的阿布希特拉教授见大家正在商量去城里参加啤酒节,他不能同去,便掏出40马克给研究生,说是给大家喝杯啤酒助兴。

在所有聚会中,最感人的是博士论文答辩后的庆祝会,虽然那只是在走廊上的香槟酒会。E16每年有两至三位博士生完成论文。每当有博士生完成了论文,进行论文答辩,那是E16的大喜事,大家都来参加庆祝会。

与美国的博士答辩不同,德国的博士答辩是封闭式的,参与者只有答辩的博士生,指导教授,和另外两位教授。四个人在一间小房间里,围坐在桌子四周,关起门进行答辩。研究所其他人在外面走廊上等着。

我最初参加这种等待,感到很好奇,问同事:“他们在里面干什么呢?都这么久了,怎么还不出来?”同事笑着说:“他们四人可能在里面打牌!”后来,教授向我解释,封闭式答辩是避免博士生因听众太多而紧张,影响答题效果。

博士在答辩时,同事们在走廊上等待着,一旁的桌子上已经摆好了博士帽和香槟酒。

与美国大学不同,德国大学不举办一年一度的授与学位典礼,所以新博士无需准备博士服与博士帽。不过,在博士答辩的庆祝会上,有个象征性的博士帽,那是研究生们和工人们前一天做好的。新博士要在答辩完成之后才看到同事们为他做的博士帽。

那是一块平板放在塑料圆筒上,包上黑绸,就像一个博士帽那样。在帽子上摆放着各种小物件,象征着该博士生在攻博期间的经历,如:攻博期间制造设备的模型,研究课题的象形模型,喜爱的运动,爱吃的零食,等等。

 
E16同事们为我做的博士帽

1989年7月我通过博士答辩后,看到同事们为我做的博士帽,博士帽中央放了个小炉子,一旁的模型是许多小球在波浪里跳跃,因为我的攻博课题之一是热电子效应。

参与答辩的博士生预先准备了香槟酒,与博士帽一起放在答辩室外的桌子上。等到新科博士完成答辩,出现在走廊上,早已等候多时的同事们纷纷上前,向他祝贺。

新博士倒上香槟,挨个向各位同事敬酒,感谢大家在他攻博期间的合作和帮助,场面非常感人。每逢博士答辩的庆祝会,我都照了好多相,记录下那激动人心的时刻。
 
里查德完成答辩后,正在倒香槟酒,准备向同事们敬酒。

 
肖希完成答辩后,向同事们敬酒。

 
我完成答辩后,向同事们敬酒。

当新博士找到工作,即将离开E16时,就会举行博士告别宴会,那是比较正式宴会。我与肖希和里查德都在1989年完成论文,我们三人在年底一起合办了博士告别宴会。借用物理系大楼底层的大厨房,从附近的餐馆定一头大大的烤乳猪。我们的告别宴会很热闹,参加者多达60多位。

 
我与肖希和里查德三人合办了博士告别宴会,从餐馆定了一头大烤猪。

E16的实验室

E16的研究主题是半导体材料中的表面量子束缚效应,即二维电子气(2DEG)的实验研究。这是自1965年以来,半导体学术界的热门课题,研究目的是为了开发更优良的半导体器件,有很大的实用意义。

50多年来,这领域里的研究不仅开发了高迁移率晶体管,半导体激光发生器等新型器件,而且还进一步揭示了物理学的基本原理,如量子霍尔效应等。

2DEG的实验研究不仅需要高级设备,如超低温,强磁场,激光发射器等等,还要有高质量的材料,如分子束外延生长出来的超晶格材料等。

对2DEG的研究竞争剧烈,各大半导体公司如IBM和贝尔实验室,还有著名研究院和大学都参与了研究。E16当然无法与那些财大气粗的大公司或研究院拼设备拼材料。虽然以考赫教授的名望和人脉,能够得到好样品和好课题,但是,最关键的还是要依靠E16师生的智慧以及发扬E16的特长。

E16的特长之一就是实力雄厚的技工组,由四位男士和一位姑娘组成,由老工人艾迪带领。艾迪技术精湛,经验丰富,受到E6所有人的敬重。男技工们负责实验室的建设和维修,例如:新实验设备的制造,研究生们样品棒的制作,真空泵的维修,等等。女技工帮助研究生们做些辅助工作,如印刷版的腐蚀,制作测试样品等等。

E16的不少实验设备都是技工组按照实验需要而制作的,有效实用,操作简单。1972年考赫教授刚到E16时,就与他的弟子们和技工组一起,搭建成一台巨型的水分子激光发生器。几十年来,研究生们用这台激光器做了好多实验。

在E16开展实验,一个很大特点是自由,许多实验设备是E16自己搭建的,或者是按实验室需要而将半成品改装。操作简单,实用有效。即使出了故障,也能及时修复。

 
我测试时的实验设备

找到一张我测试时的实验设备的照片。中间是低温超导大磁体,最高磁场强度可达12特斯拉。右侧测试仪器架的下部是微波电导测试仪,是博士生亚瑟制作的。左前方是我制作的大功率微波发生器。仪器上贴着简单的黄色标签。

E16有两个工场间:小工场间在实验室隔壁,里面有简单金属加工的工具,供研究生们做些金属加工。大工场间里的设备更多,车床·钳台·钻台等应有尽有,功能齐备,供制造仪器和维护测试设备的金属加工等所用。

E16技工组为每个研究生都特制了各人的样品棒,专门适应各种低温和光学测试。样品棒的外管是长1.5米,直径5cm的不锈钢管,一头密封。里面是细管样品架:一根长1.4米,直径8mm的不锈钢细管,不仅作为样品的支架,还是光学测试的光通道。细管一端是样品架,供安置样品,样品上的各电极通过电缆连接到样品棒的另一端,那里安装着连接样品的电极终端和真空阀。样品必须在真空下进行,每次测试之前,都得将样品棒抽真空。

有一位保加利亚的进修学者来E16进修,见惯了在他的国家中工人的偷懒拖拉。他来到E16开展研究工作,得到技工组的很大帮助,深深地被技工组精湛的技术和友好的态度所感动。他再三向艾迪表示感谢。

艾迪感到奇怪:“这是我的工作呀,有什么可感谢呢。”保加利亚人回答说:“虽然都是工作,你可以把它做好,也可以马马虎虎地交差。而你们总是把它做得最完美。这真是德国人的工匠精神”。我对保加利亚人的话深有同感,我每次有事找技工组帮忙,总是能得到圆满的解决。

我在攻博后期也到其他实验室去做过测试,如斯图加特的马普固体物理研究所和瓦尔特-肖特基研究所。那里的设备高级,是直接从设备公司买来的,功能齐全,但是操作复杂。

我在那里做测试,只能请求那里的工作人员在预定的范围里做测试,不允许作多次的探究。所以我尽可能在E16做实验,得到基本方向和概念,然后再到那些实验室里,借用他们的设备做进一步的探索。

低温超导磁体

E16在低温实验方面很有优势。马普的低温制冷厂就在物理系大楼附近,那儿生产的液氦装在液氦罐里,每天送到物理系大楼底层的低温中心。物理系大楼的每个实验室里都安装了氦气回收管道,从液氦罐或磁体里挥发的氦气将顺着管道输回低温制冷厂。

在攻博期间,我经常每星期预定100升液氦。下星期去低温中心取液氦。那液氦罐直径达1米,比人还高。我把液氦罐拖到实验室后,得立即把液氦罐上的输气管插上氦气回收管道。

研究生们开玩笑说:花这么多钱买液氦,实际上只是把液氦蒸发了一下,绝大部分蒸发的氦气通过回收管道,再回到马普的低温制冷厂。

后来我到了美国做博士后,才知道E16这样的超低温实验条件在美国一般大学里根本不存在。E16的实验研究真的很奢侈,考赫教授从来不在乎这些花费。

做低温强磁场实验,最花时间的就是把磁体温度从室温降到液氦温度。首先把液氮灌进磁体,把磁体温度从室温降到液氮温度:绝对温度77K(-196摄氏度)。再慢慢地将液氦灌进磁体,将温度进一步降到液氦温度:4.2K。整个降温过程需十多个小时。

只有等到温度降到4.2K后,超导磁体才能工作。我做实验期间,每天早上9点前就进实验室开始工作,等到磁体降温到4.2K时,已是下午六点多,然后开始测试,往往到晚上10点多才完成测试。

记得一天晚上,我工作结束后,骑自行车沿田间小道回家。月光下,听见农田里不时传来“呀—呀—“声音,很像婴儿的哭声,有些奇怪,不敢停下来,只是加快踩自行车。第二天,和房东太太共进早餐时,说起此事,房东太太说,那是猫头鹰在叫,它们在翻耕后的玉米地里抓田鼠。

操作磁体需非常小心,样品棒得先放入液氮罐里预冷,然后再缓缓地将样品棒插入磁体。若操作不当,磁体因温度波动而失去超导性能,称为“失超”。失超时,磁体内的强大电流遇到高电阻,产生的热量导致大量液氦蒸发,严重时还会而引起爆炸。

我曾遇见过一次磁体失超。那时我在办公室里,听到一声沉闷的巨响,同事们说,失超了。大伙急忙往实验室跑,只见实验室里雾气腾腾。幸运的是,没发生爆炸,有惊无险。原来是一位博士生操作得太匆忙了。

磁体在液氦温度下处于超导状态,电阻几乎为零,通上强电流从而产生超强磁场。博士生亚瑟曾对我说起一件事,那天,他完成了测试,切断电源后,就去松开螺丝,把磁体电缆拉离接头,看见已分离的电缆与接头之间有一股粗大的火光柱。原来磁场具有滞后性能,在电源切断后的一段时间内,磁体里强电流尚未消失,还需流回电源,那股粗大的火光柱就是强电流继续从接头流向电源。

如此昂贵而危险的实验,E16的老博士生往往只给新来者演示一次,然后就放手让新来者自己做。其实,事故大都是因操作太匆忙而引起的。我在E16工作时,经常操作超导磁体,所幸在四年半的攻博期间没出事故。这也得益于E16的风气,研究生相处和谐,经常交流各自的工作经历。耳濡目染之下,养成了谨慎细致的工作习惯。

2020年10月 纽约上州

此文首发于微信公号《新三届》2020年10月21日

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