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江崎玲于奈 发表评论(0) 编辑词条

1957年,Leo Esaki发现了半导体的隧道效应,并研制成功隧道二极管。1960年,Giaever成功的观察到了超导体的隧道效应。1962年,Josephson理论预言超导电流能够通过隧道阻挡层。因为在隧道效应方面的研究成就,Brian David Josephson 、Ivar Giaever 和Leo Esaki共同获得1973年的诺贝尔物理学奖。

现代芯片的诞生进程中还有很多重要人物值得提及,其中包括晶体管的发明人William Shockley,John Bardeen和Walter Brattain,三人在1956年分享了诺贝尔物理学奖,Leo Esaki,此人供职于后来变身为索尼的公司,由于他发现了电子具有管道特性而获得了1973年物理学奖。Esaki也曾经在IBM就职。

目录

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简介编辑本段回目录

江崎玲于奈(Leo Esaki, 1925-)因发现半导体中的隧道效应,而获得1973年度诺贝尔物理学奖

(图)Leo EsakiLeo Esaki

江崎玲於奈1925年3月12日出生于日本大阪的一个建筑师家庭里,1938年,江崎进入同志社中学,三年后父亲去世。江崎自幼就表现出对科学的浓厚兴趣,喜欢阅读科学家传记故事,立志要作像爱迪生和马可尼那样的发明家,小时自己动手制作电动火车和汽车模型。1940年,他以优异成绩越级进入京都第三高等学校。1944年初提前毕业。同年10月,江崎进入东京帝国大学攻读实验物理。在大学期间,为维持生计勤工俭学,做晚间家庭教师。他认真学习了数学和物理课程,并自学物理学专著。

经历
(图)Leo EsakiLeo Esaki

江崎玲于奈1925年3月12日出生于日本大阪,1940年就读于京都第三高等学校,1944年进入东京帝国大学。1959年获博士学位。1947年起在神户工业公司工作。1956年起任东京通信工业公司主任研究员。1960年迁居美国,任国际商业机器公司特别研究员。1981年兼任伦敦工业学院高级聘问研究员。他的主要研究领域是固体电子学,在这一学科共获16项专利。1957年,他在研究重掺杂锗和硅的性质时,发现重掺杂窄PN结正向伏安特性存在负阻现象,认为这是由于电子、空穴直接穿透结区而形成的。1958年发表关于隧道二极管的论文。由于这一成就,他与B.D.约瑟夫森和I.贾埃佛共同获得1973年度诺贝尔物理学奖。此外,他曾获日本物理学会仁科芳雄纪念奖、日本科学院奖、日本政府授予的文化勋章、莫里斯·科布曼纪念奖金、巴伦坦奖章等奖励。

江崎玲于奈是一个建筑师的儿子,1947年毕业于东京大学。他希望从事核物理学的研究工作。后改为研究固体物理学。由于肖克利的研究成果,这门学科骤然获得了新的生命。江崎玲于奈在研究微小的半导体二极管时,发现有时电阻会随电流的增加而减小,而不是如预料中的相应增加。这是由“隧道效应”引起的,即部分电子能穿过大概厚度为一百个原子的阻挡层。

20世纪50年代,根据理论分析,人们认为在PN结反向击穿的过程中应当能够观测到隧道效应,但实验上一直未能发现。1957年,江崎玲于奈在研制新型高频晶体管时,意外地发现了高掺杂、窄PN结的正向伏安特性中存在着异常的负阻现象。通过理论分析,他认为这种负阻特性是由于电子空穴直接穿透结区而形成的,从而为隧道效应提供了有力的证据。在随后的研究中,他发明了由隧道结制成的隧道二级管。隧道二极管的发明,开辟了一个新的研究领域——固体中的隧道效应。

1973年诺贝尔物理学奖——隧道现象和约瑟夫森效应的发现 编辑本段回目录

1973年诺贝尔物理学奖一半授予美国纽约州约克城高地(YorktownHeights)IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈(Leo Esaki,1925—),美国纽约州斯琴奈克塔迪(Schenectady)通用电器公司的贾埃沃(IvarGiaever,1929—),以表彰他们分别在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现;另一半授予英国剑桥大学的约瑟夫森(BrianJosephson,1940—),以表彰他对穿过隧道壁垒的超导电流所作的理论预言,特别是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象。

(图)Leo EsakiLeo Esaki

   江崎玲於奈1925年3月12日出生于日本大阪的一个建筑师家庭里,1938年,江崎进入同志社中学,三年后父亲去世。江崎自幼就表现出对科学的浓厚兴趣,喜欢阅读科学家传记故事,立志要作像爱迪生和马可尼那样的发明家,小时自己动手制作电动火车和汽车模型。1940年,他以优异成绩越级进入京都第三高等学校。1944年初提前毕业。同年10月,江崎进入东京帝国大学攻读实验物理。在大学期间,为维持生计勤工俭学,做晚间家庭教师。他认真学习了数学和物理课程,并自学物理学专著。 

(图)Leo EsakiLeo Esaki

  1947年,江崎获硕士学位,有机会进入神户工业股份有限公司研究真空管热电子发射现象。他由此接触到固体表面物理化学性质和真空管材料技术。由于这项研究与强外电场作用下的冷金属表面电子发射现象有关,他对固体中的隧道效应发生了兴趣。1950年,他转入对半导体材料和晶体管的研究。这时,晶体管刚刚发明。1956年江崎辞去神户公司的工作转入索尼公司。在索尼公司领导了一个小组对半导体二极管内电场发射机理进行研究。这项研究主要考查窄宽度p-n结的导电机制。p-n结中内电场分布取决于杂质的分布。当时许多研究者都把提取含杂质少的高纯半导体材料当作目标,而江崎选择了相反的路线,他尝试制备高掺杂的锗p-n结器件。

   1957年初江崎首先获得了掺有高浓度杂质的锗精制单晶体做成了薄p-n结。他发现这种薄p-n结的正向电阻特性没有变化,但反向电阻却呈直线下降趋势。随后,江崎增大了掺杂浓度,使结宽进一步变窄。当浓度达到1018cm-3以上时,p-n结的施主和受主浓度都高到使结两侧呈简并态,费米能量完全占据了整个导带或价带内部。江崎发现,在这种隧穿路程极短的情况下,所有温度条件下都可以观察到负阻现象。

负阻现象所对应的电压远低于人们熟知的击穿电压。江崎用量子力学理论令人信服地证明了这正是人们长期以来所寻找的隧道效应,这项研究确立了隧道效应在半导体材料中的存在。

(图)Leo EsakiLeo Esaki

接着,江崎利用这种半导体p-n结中的隧道效应研制出一种新型半导体器件——隧道二极管。这种二极管具有独特而优异的反向负阻特性,可在开关电路、振荡电路、微波电路以及各种高速电路中获得广泛应用,成为现代电子技术中最重要的器件之一。正是这项贡献使江崎于1973年获得诺贝尔物理学奖。

   1958年,江崎进一步研究了硅、锑化铟、砷化镓、砷化铟、碲化铅、碳化硅等金属氧化物半导体材料的p-n结,证实它们也有类似的负阻特性。用这些材料制成了多种隧道二极管。70年代,江崎在研究砷化镓等材料的周期性超晶格结构时,指出这些材料的负阻效应的工作频率上限远高于当时已知的任何半导体器件,为后来微波、毫米波、亚毫米波电子学发展提供了制作器件的切实依据。

江崎研究硅隧道二极管时,精确分析了隧穿电流,揭示了材料的电子状态,说明了隧穿电子与势垒中的声子、光子、等离子体量子甚至分子类振动模式之间的相互作用。这些对隧穿物理机制的研究,开创了一门新兴学科——隧穿波谱学。

   1959年,日本东京大学授予江崎理学博士学位。1960年,江崎迁居美国,任国际商用机器公司(IBM)中央研究所研究员。

江崎与贾埃沃共享1973年诺贝尔物理学奖的一半。他们都是由于隧道现象的研究,江崎由于发现了半导体中的隧道现象,而贾埃沃则因为发现了超导体中的隧道现象。

   贾埃沃1929年4月5日出生于挪威的卑尔根(Bergen),并在那里受教育。1954年他以一名机械工程师的身份移民到了加拿大,进入加拿大通用汽车公司。1956年他参加工程师培训班,到美国纽约州通用电气研究所,与该所的电气实验室签订了6个月的合同,负责有关热流的研究项目。就在这段期间,贾埃沃注意到这个实验室里还有一个研究课题是有关固体物理学的,这个课题对他更有吸引力,于是在合同期满时转到了这个小组。同时,贾埃沃还在一所工科学院选修高级物理课程。这一阶段的学习对他后来的工作有相当重要的影响。

(图)Leo EsakiLeo Esaki

   这个固体物理小组中有一位物理学家名叫费希尔(J.Fisher),曾对薄膜中的电子的特性作过研究。根据BCS理论可以证明,在超导体中有能隙禁区存在,如果把具有禁区能量的电子注入超导体,这些电子就会受到禁区的排斥。费希尔认识到这一结论的重要性,极力主张以实验予以证明。贾埃沃就成了他的合作者。

   从一开始,费希尔和贾埃沃利用朗缪尔膜研究薄膜性质。他们试图把金属电极安放在单分子层的两侧并测试其间的电导,但是这个实验太复杂,也不很可靠,他们不得不放弃。随后他们转而采用铝-氧化铝-铝薄膜做了一系列实验,研究电流、电压与膜厚及温度的关系。实验表明,通过阻挡层的电流是由于电子隧道效应引起的。经过一年的努力工作,贾埃沃不仅学到了物理学的有关理论,而且很好地掌握了有关实验技术。1959年底,费希尔的工作重点转移到别的领域,贾埃沃开始独立地开展研究。

   铝-氧化铝-铝薄膜的温度很低时,可以观测到一种特殊的效应,铝在低温时是超导体,也许这一效应正是超导电性的一种表现。于是自然会想到,如果把这种薄膜放到低于1.2K的极低温观测,应该会有明显的效应。可是贾埃沃拒绝了这个建议。他认为大部分电阻来自阻挡层,如果只是金属的电阻消失不会使阻挡层的电流发生如此大的变化。如果仔细研究以前一系列的实验结果就会发现,贾埃沃的论点是太荒谬了。然而这并不奇怪,在当时贾埃沃根本不知道超导体中在费米能级处有能隙。甚至在一开始时他连江崎发现了半导体隧道效应都不知道。作为只有一年经历的物理学工作者,他不可能像受过常规训练的物理学家那样知道早该知道的一些事。在他周围的固体物理学家也没有向他提醒要注意超导能隙这一基本概念。

   1960年初,人们再次提出把结合膜的温度降低到超导转变温度之下,这时,贾埃沃正好在超导课程中学到了能隙概念。他立刻联想到,有可能存在隧道电流效应。他把自己的想法告诉费希尔等人。费希尔认为能隙不一定有这么重要,因为它太小了。不过,他们主张贾埃沃不妨试试。

(图)Leo EsakiLeo Esaki

   贾埃沃用铝-氧化铝-铅结合膜作实验,因为铅在7.2K就会成为超导体。最初的两次实验失败了,因为样品的氧化层太厚。第三次实验,他不是仔细地氧化第一层铝条,而是简单地把它放在空气中暴露几分钟,再放回蒸发台去沉积交叉的铅膜。这一方法做成的氧化层大约只有3×10-9m厚,所以,很容易就用现成的设备测出电流电压特性曲线。所得结果正是预期的隧道效应。贾埃沃立即用不同的样品重复这个实验,都毫无例外地出现了隧道效应。

对于超导电性,按照BCS理论,超导电流是由电子对构成的。1957年。巴丁、库珀和施里弗建立了超导微观理论(也叫BCS理论)成功地解释了超导体的各种性质。这个理论的关键在于库珀提出的电子对概念。应该说,BCS理论的重要成果之一就是导致了约瑟夫森效应的发现。但是约瑟夫森作出发现的直接起因还是由于受到贾埃沃发现超导体隧道效应的激励。

   约瑟夫森1940年1月4日出生于英国威尔士的加迪夫(Cardiff)。1960年在剑桥大学三一学院获学士学位。1962年,约瑟夫森正在英国剑桥大学当研究生。他从理论上作出预言,对于超导体-绝缘层-超导体互相接触的结构(也叫S-I-S结构),只要绝缘层足够薄,超导体内的电子对就有可能穿透绝缘层势垒,导致如下效应:

   (1)在恒定电压下,既有直流超导电流产生,也有交流超流,其频率为2eV/h;

   (2)在零电压下,有直流超流产生,这一电流对磁场非常敏感,磁场加大,电流将迅速减小;

   (3)如果在直流电压上再叠加一交流电压,其频率为v,则会出现一零斜率的电阻区,在这个区域内电流有傅里叶成分,电压V与v的关系为2eV/h=nv(其中n为整数)。

   约瑟夫森作出上述惊人的理论预测不是偶然的。因为早在30年代就已有迹象表明超导隧道效应的存在。例如,霍尔姆(R.Holm)和迈斯纳(W.Meissner)就曾从实验得出如下结论:当两金属变成超导体时,两金属间的接触电阻就会消失。1952年迈斯纳的学生迪特里希(I.Dietrich)重复作了类似实验。他在钽(Ta)表面覆以TiO2或CeO2薄层,再以Ta为试探电极接触。他测量了其间的电流,发现在某温度下电阻消失。但是当时人们无法理解这些实验结果的普遍意义。

(图)Leo EsakiLeo Esaki

   1958年江崎宣布发明了隧道二极管,这件事大大激励了人们对隧道效应的注意。正好这时BCS理论提出,一度被搁置的隧道效应到了彻底研究的时候了。

前人的探索和BCS理论的指导使约瑟夫森对S-I-S超导结的行为作出了正确的数学分析。他在1973年和贾埃弗与江崎共获诺贝尔物理学奖。在领奖演说词中他回忆自己的发现经过。讲道:

   “当我作为研究生在皮帕德(B.Pippard)教授指导下在剑桥皇家学会蒙德实验室工作期间,一系列的事情导致了隧道超导电流的发现。当研究生的第二年(1961年—1962年),我们有幸去参观了安德森(P.W.Anderson)教授的实验室。他对隧道超导电流课题已作出了重大贡献,其中包括许多未发表的结果,这些结果我后来也独立地推出过。在剑桥的讲座中,他介绍了在超导体中‘破缺对称性’这个新概念……,我被破缺对称性的思想深深地吸引住了,思索在实验上是否有任何对它进行观测的方法……。”

   “接着我得悉贾埃弗的隧道实验。……皮帕德考虑过一个库珀对隧道贯穿绝缘势垒的可能性,正如贾埃弗做过的,但是他认为两个电子同时穿越的几率太小,以至于不能观测到任何效应。这个似是而非的论点现在知道是不正确的,然而它却使我的注意力转到了另外一种可能性,即通过势垒的正常电流可以因相位差而改变……。”

   “有一天,安德森给我看了他刚刚收到的从芝加哥寄来的预印本。在这篇文章中,柯恩(M.H.A.Cohen)、法利可夫(L.M.Falicov)和菲利普斯(J.C.PhillipS)计算了流入超导-势垒-正常金属组成的系统的电流,肯定了贾埃弗公式。”

   约瑟夫森立即开始把这种计算推广到势垒两边都是超导的情况,得到的结果为

I=I0(V)+I1'(V)cos(△φ)+I1(V)sin(△φ)

   此处V为两个超导区的电势差,△φ为位相差,其中“第一项对直流电流有贡献,结果与贾埃弗的预计一致”,第二项正是约瑟夫森所期望的,然而“第三项完全没有料到”。

(图)江崎玲於奈江崎玲於奈

约瑟夫森反复检查自己的计算,确证没有错误。安德森帮助他作出解释,使他有足够的信心发表计算的结果。尽管安德森的解释后来证明是不够正确的,但是约瑟夫森得到很大启发,因为安德森向他指出:“磁场的存在可能严重影响超导电流”。约瑟夫森接着回忆道:

   “皮帕德建议我亲自通过测量在补偿场中结的特性以观测隧道超导电流。但结果是否定的——比预期的临界电流还小千倍的电流,就足以在结两侧建立可检测的电压。”

   “安德森终于领悟到在某些样品中观测不到直流超导电流的原因是:在高电阻样品中,传送到样品测量接头的电噪声很大,产生的噪声电流足以超过临界超导电流。安德森和罗韦尔(J.M.Rowell)一起做了一些低电阻样品,立刻就得到了存在隧道电流的令人信服的证据。”

接着,安德森和罗韦尔观测到了类似于光的单缝实验那样的条纹。交流约瑟夫森效应不久也得到证实。1963年夏皮罗在《物理评论快报》上报导了微波实验的结果。他把低阻隧道交叉结放在低温的微波谐振腔里,用X-Y示波器显示隧道电流,观察到了台阶形的电流电压曲线,电压台阶的间隔正好是约瑟夫森预言的hv/2e值,从而间接地证实了交流约瑟夫森效应。

   约瑟夫森在发现以他的名字命名的效应时,刚满22岁,是一名大学毕业两年正在研读的研究生。

获奖编辑本段回目录

1991年,美国总统布什向发明精简指令集计算机技术的IBM科学家John Cocke颁发了1991年的国家技术奖章。IBM公司的Leo Esaki荣获了美国电气和电子工程师协会的荣誉奖章,这是该组织的最高荣誉。Leo Esaki在半导体材料和结构和属性方面进行了开拓性的研究,取得了突出成绩。

隧道效应编辑本段回目录

定义

(图)Leo EsakiLeo Esaki

  由微观粒子波动性所确定的量子效应。又称势垒贯穿[1] 。考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒,按照经典力学,粒子是不可能越过势垒的;按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外,还有透过势垒的波函数,这表明在势垒的另一边,粒子具有一定的概率,粒子贯穿势垒。理论计算表明,对于能量为几电子伏的电子,方势垒的能量也是几电子伏 ,当势垒宽度为1埃时 , 粒子的透射概率达零点几 ;而当势垒宽度为10时,粒子透射概率减小到10-10 ,已微乎其微。可见隧道效应是一种微观世界的量子效应,对于宏观现象,实际上不可能发生。

  在势垒一边平动的粒子,当动能小于势垒高度时,按经典力学,粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子,量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒,实际也正是如此,这种现象称为隧道效应。对于谐振子,按经典力学,由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在,此现象也是一种隧道效应。

  隧道效应是理解许多自然现象的基础。

  隧道效应

  概述

  在两层金属导体之间夹一薄绝缘层,就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结,即电子可以穿过绝缘层,这便是隧道效应。使电子从金属中逸出需要逸出功,这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低.于是电子隧道结对电子的作用可用一个势垒来表示,为了简化运算,把势垒简化成一个一维方势垒。

  所谓隧道效应,是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层(厚度大约为1nm(10-6mm),如氧化薄膜),当两端施加势能形成势垒V时,导体中有动能E的部分微粒子在E<V的条件下,可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。

(图)Leo EsakiLeo Esaki

  产生隧道效应的原因是电子的波动性。按照量子力学原理,在低速情况下,具有能量(动能)E的电子的波长

  h

  λ=-----------------

  √2mE

  (其中,h——普朗克常数;m——电子质量;E——电子的动能),在势垒V前:若E>V,它进入势垒V区时,将波长改变为

  h

  λ’=----------------------

  √2m(E-V)

  若E<V时,虽不能形成有一定波长的波动,但电子仍能进入V区的一定深度。当该势垒区很窄时,即使是动能E小于势垒V,也会有一部分电子穿透V区而自身动能E不变。换言之,在E<V时,电子入射势垒就一定有反射电子波存在,但也有透射波存在。
[编辑本段]
原理
  经典物理学认为,物体越过势垒,有一阈值能量;粒子能量小于此能量则不能越过,大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡,先用力骑,如果坡很低,不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高,不蹬自行车,车到一半就停住,然后退回去。

  量子力学则认为,即使粒子能量小于阈值能量,很多粒子冲向势垒,一部分粒子反弹,还会有一些粒子能过去,好像有一个隧道,故名隧道效应(quantum tunneling)。可见,宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下,隧道效应并不影响经典的宏观效应,因为隧穿几率极小,但在某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。

(图)Leo EsakiLeo Esaki

发现者
  1957年,受雇于索尼公司的江崎玲於奈(Leo Esaki,1940~)在改良高频晶体管2T7的过程中发现,当增加PN结两端的电压时电流反而减少,江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此后,江崎利用这一效应制成了隧道二极管(也称江崎二极管)。 1960年,美裔挪威籍科学家加埃沃(Ivan Giaever,1929~)通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。在此之前的1956年出现的“库珀对”及BCS理论被公认为是对超导现象的完美解释,单电子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充。 1962年,年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森(Brian David Josephson,1940~)预言,当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS(Superconductor-Insulator- Superconductor)时,电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层(厚度约为10埃)时发生了隧道效应,于是称之为“约瑟夫森效应”。 宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而穿透绝缘层,使器件无法正常工作。因此,宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。

用途
  隧道效应本质上是量子跃迁,电子迅速穿越势垒。隧道效应有很多用途。如制成分辨力为0.1nm(1A)量级的扫描隧道显微镜,可以观察到Si的(111)面上的大元胞。但它适用于半导体样品的观察,不适于绝缘体样品的观测。在扫描隧道显微镜(STM)的启发下,1986年开发了原子力显微镜(AFM),其工作原理如图5所示。利用金刚石针尖制成以SiO2膜或Si3N4膜悬臂梁(其横向截面尺寸为100μm×1μm,弹性系数为0.1~1N/m),梁上有激光镜面反射镜。

(图)Leo EsakiLeo Esaki

当针尖金刚石的原子与样品的表面原子间距离足够小时,原子间的相互作用力使悬臂梁在垂直表面方向上产生位移偏转,使入射激光的反射光束发生偏转,被光电位移传感器灵敏地探测出来。原子力显微镜对导体和绝缘体样品都适用,且其分辨力达到0.01nm(0.1A),可以测出原子间的微作用力,实现原子级表面观测。

  根据光隧道效应原理,利用光纤探测头、压电陶瓷、光电倍增管、扫描控制跟踪系统和微机,可以构成光隧道显微镜。它可以探测样品的表面形貌。在经典物理中,光在光纤内部全反射,在量子物理中,激光可以从一根光纤内通过隧道效应进入相距很近的另一个光纤内部,分光器就是利用量子隧道效应而制成的。

  电子具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而溢出器件,使器件无法正常工作,经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。

参考文献编辑本段回目录

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标签: 江崎玲于奈 江崎玲於奈 Leo Esaki

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同义词: Leo Esaki ,江崎玲於奈,Leona Esaki

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