物理學家楊振寧和半導體有哪些內在聯系？

2025-10-24 09:43:11 7

楊振寧先生本人不是半導體行業的“工程人物”，但他與半導體之間有一種深層的、物理學基礎上的聯系——就像地基與高樓的關系：他打下的理論地基，支撐了后來整個固態電子學、半導體物理的框架。下面我們分幾層來講。

一、從物理原理上——他奠定了“量子場與對稱性”的語言體系

半導體的一切，歸根到底是量子力學在固體中的表現：電子能帶、載流子輸運、能隙、雜質能級……
而楊振寧對物理學的貢獻，是把“對稱性”和“場”的思想確立為現代物理的共同語法。

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

“規律的本質，是局域對稱性。”

在半導體里，這種思想以另一種形式出現：

換句話說：

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

20 世紀 50–70 年代是半導體物理的黃金期：能帶理論、pn 結、電輸運、MOS 結構都在成型。
那一代做半導體的人，很多在量子場論和統計物理的訓練下成長，他們直接受益于楊振寧這一類物理學家的啟發。

比如：

楊振寧早期的統計力學與相變研究（如楊–李零點理論），對理解載流子濃度、相變、能帶重構提供了數學框架。
他主張的“從對稱性出發看物理”的方法，影響了后來的晶格群論、能帶對稱性分析、電子結構計算。
這些思想滲透進了半導體計算模型、能帶工程、甚至 EDA 的物理內核。

楊振寧在普林斯頓、芝加哥、香港中大等地長期指導學生，其中不少人轉向凝聚態、低維材料、量子器件方向。

他本人晚年對凝聚態物理、超導、拓撲物態的興趣也很濃——這些領域正是“半導體+量子物理”的交匯地。
現在你聽到的許多關鍵詞：“拓撲相、Berry 相、規范場在固體中的實現”，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”帶進固體物理，今天我們理解二維電子氣、拓撲半金屬，都會更困難。

楊振寧喜歡講一句話：“物理學的美，是從對稱性中生出來的。”
這句話放到半導體行業里，其實是一個很好的警醒：

半導體工程師常被日常數據淹沒——厚度、摻雜、應力、閾值電壓……
但所有這些現象背后，都在遵循幾個最根本的“對稱與破缺”的法則。
懂這些規律，才能“預見變化”，而不僅是“調參數”。

這其實也是楊振寧思想對半導體行業最深遠的啟發：

他讓我們相信：工藝的極限，往往隱藏在物理的對稱性里。

楊振寧和半導體的關系，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，為什么能在對稱破缺的*里流動、導電、發光。
沒有那種層次的物理思維，半導體產業就少了“底氣”——只有經驗，沒有原理。

如果把整個芯片產業比作一棟摩天大樓，材料科學、工藝工程是鋼筋水泥；電路設計與算法是裝潢與電力系統；楊振寧這一類理論物理學家提供的，是那根看不見的“力學規則”——告訴我們，這棟樓為什么能站得住。

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