赫伯特·克勒默：设计出“不可能”器件的物理学家

1963年，在帕洛阿尔托的瓦里安联合公司（Varian Associates）工作时，赫伯特·克勒默（Herbert Kroemer）提出了一种由不同半导体夹层组成的激光器。当时没有人能制造它。所需的晶体生长技术尚不存在，且多年内都无法实现。但他还是提出了这个构想。六十年后，双异质结构激光器成为了光纤网络、CD播放机中的光源，正如他在加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）的同事约翰·鲍尔斯（John Bowers）所言，它是“开启了互联网并改变世界”的器件。

从魏玛到哥廷根

他于1928年8月25日出生在魏玛，家庭没有任何学术背景：父亲是公务员，母亲是家庭主妇，两人都没有读完高中。德国在他青春期时崩溃了，他从中走出来并投身于物理学。1951年，他在哥廷根大学获得了文凭，并于1952年获得了理论物理学博士学位，论文题目是关于晶体管中的热电子效应——这是一个在他选择时仅有五年历史的课题，而晶体管本身是在1947年才宣布发明的。这是他终身习惯的第一个迹象：在技术尚未成熟之前就投身其中。

工业界动荡的十年

克勒默的二十多岁和三十多岁是在两大洲的工业实验室之间辗转度过的，这种模式看起来很分散，但你会发现他一直致力于同一个想法。他于1952年开始在德国邮政的达姆施塔特电信研究实验室工作。20世纪50年代中期，他转到新泽西州普林斯顿的RCA实验室。1957年至1959年，他在汉堡的飞利浦研究实验室工作。1959年，他搬到帕洛阿尔托的瓦里安联合公司，并在那里度过了产生他最具影响力工作的十年。

在此过程中，他发明了漂移晶体管，这是一种利用分级杂质分布将载流子推过基极的速度比单纯依靠扩散更快的器件。这是一个他将花费整个职业生涯去阐述的想法的开端：你可以通过工程化半导体的内部景观，使电子以自然界未曾安排的方式运行。

需要两种材料的晶体管

在RCA，克勒默研究出了异质结双极晶体管的概念。传统的半导体器件由单一材料制成——即在不同区域掺杂不同的硅。克勒默的提议是将两种不同的半导体连接在一起，这样界面处带隙的突变本身就会对载流子产生一种力，即一种无需外部电压的准电场。在20世纪50年代中期，他确定了这将带来的具体性能优势。这一论点在理论上很清晰，但在实践上为时过早；制造异种晶体之间原子级锐利结所需的材料科学还需要几十年才能实现。

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一个没人能制造的激光器

1963年的双异质结构提案是将同样的逻辑应用于光。克勒默认为，将载流子和光子限制在两个宽带隙包层之间的薄有源层中，你就能得到一种可以在室温下连续运行而不是在低温脉冲下运行的激光器。正是这一设计原则使半导体激光器成为一种可用的物体，而不是实验室的新奇事物。在列宁格勒独立工作的若列斯·阿尔费罗夫（Zhores Alferov）追求着同样的领域；2000年，两人共同获得了诺贝尔物理学奖，“以表彰他们在高速和光电子学中使用的半导体异质结构方面的开发”。

1964年，克勒默发表了对冈恩效应（Gunn effect）的第一个正确解释，这是某些半导体中高频电振荡背后的机制——这是他在该领域就问题达成共识之前就已触及物理学的又一个例子。

圣塔芭芭拉与复合材料的赌注

他于1968年进入学术界，担任科罗拉多大学博尔德分校的电气工程教授，并于1976年转到加州大学圣塔芭芭拉分校，在那里他担任唐纳德·W·惠蒂尔（Donald W. Whittier）电气工程讲座教授，并兼任材料学教授。在那里，他进行了一场与他的科学赌注一样反传统的机构赌博：他说服一个系投资于复合半导体——砷化镓及其相关材料——而不是主导一切的硅。他是后来成为世界领先小组的第一位成员。他还在晚年转向实验，在UCSB开创了分子束外延技术，并将其应用于无人尝试的材料系统，最终构建了他1950年代理论所假设的原子级精确界面。他于2012年退休。

教师、教科书作者、绅士

克勒默撰写了两本非常清晰的教科书：《热物理学》（Thermal Physics），其第二版是他与查尔斯·基泰尔（Charles Kittel）于1980年共同完成的；以及《工程、材料科学和应用物理学中的量子力学》（Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics）。同事们记得他是一个有敏锐幽默感的人，他可以像与研究生交谈一样轻松地与小学生访客谈论物理，并且在研讨会上提出尖锐的问题，而从不让答案感觉像是一种判决。院长乌梅什·米什拉（Umesh Mishra）将他比作印度意义上的大师——一个在传授技术内容的同时，也传授“道德、伦理、领导力、优雅和慷慨”的人。中村修二（Shuji Nakamura）将他自己发明蓝色LED归功于克勒默的异质结构概念。克勒默于2003年成为美国归化公民，是一位直言不讳的无神论者：他说，宗教“只是痴心妄想”。

为什么赫伯特被称为天才

这里独特的才能是预见性的器件物理学：即能够正确推理出一种尚未能制造出来的结构的行为，并在其他人等待证据的二十年里信任这种推理。克勒默本人描述了这种性格，没有虚假的谦虚，也没有声称自己才华横溢：“从一开始，我就一直对那些比人们能做的领先几代的事情感兴趣。小步骤并不能真正引起我的兴趣。我对大步骤感兴趣。”他对年轻同事的建议也源于此——做你感兴趣的事情，忽略应用，保持机会主义。

记录实际上支持的是判断力，而不是原始的处理能力。三次——异质结晶体管、双异质结构激光器、冈恩效应——他在社区和技术达成共识之前几年就确定了正确的物理原理。这是一个罕见的命中率，这就是诺贝尔委员会、2002年IEEE荣誉奖章评审团以及德国政府授予他大十字功绩勋章的原因。

反面案例是诚实的，值得陈述。克勒默并没有制造出他成名的激光器；阿尔费罗夫的小组和工业实验室完成了使其成为现实的晶体生长，阿尔费罗夫分享该奖项是有充分理由的。二十年内无法测试的想法生成起来很便宜，但验证起来很昂贵，克勒默的记录包括那些只有在别人有耐心去实现它们时才重要的提案。同事们更多地使用“绅士”和“大师”而不是“天才”来形容他。公平的结论是，他拥有异常可靠的物理直觉，并且有勇气尽早发表它。