分子磁体中的量子隧穿及宏观量子效应
量子隧道效应
隧道效应的发现
1957年，受雇于索尼公司的江崎 玲於奈（LeoEsaki，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。
隧道效应-基本简介
•
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
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。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0.01mm（0.1A），可以测出原子间的 微作用力，实现原子级表面观测。
• 隧道二极管正向伏安 特性中有一段负阻区，而 且它还是一种多数载流子 效应,没有渡越时间的限 制,所以隧道二极管可用 作低噪声的放大器、振荡 器或高速开关器件，频率 可达毫米波段。它作为器 件的缺点是功率容量太小。 隧道过程中,常常有电子 －声子相互作用或电子杂质相互作用参加。从隧 道二极管的伏安特性上可 分析出参与隧道过程的某 些声子的频率。在势垒区 中的光吸收或发射中,隧 道效应也起着作用,这称 夫兰克－凯尔德什效应。 杂质的束缚电子态和能带 中电子态之间的隧道也观 察到。
理论上假定电子穿越绝缘体势垒时保持其自旋 方向不变，在实际制备过程中由于氧化层生成时难
免导致相邻铁磁层氧化，致使反铁磁性的氧化薄层
的出现影响磁电电阻效应。所以实验的结果比理论
南京大学物理学院导师
目前承当的科研项目
中子核数据评价，ATLAS高能物理重大国际合作。
一、纳米结构中量子效应的理论研究：(1) 量子点的库仑阻塞和量子输运理论；(2) 单电子晶体管理论；(3) 分子磁体的宏观量子隧穿效应；(4) 自旋电子学理论。二、低维无序系统理论：(1) 低维无序系统Anderson局域化理论；(2) 金属－绝缘体相变和标度理论。
目前承当的科研项目
一、国家重点基础研究发展规划项目(973项目)《纳米材料和纳米结构》中的《纳米材料和纳米结构若干基本理论问题》子课题。 二、国家自然科学基金项目《量子点和单电子晶体管的电子性质研究》。三、国家自然科学基金项目《磁性颗粒磁矩宏观量子隧穿的研究》。
目前承当的科研项目
(1)自旋输运理论中自旋流的产生及其检测(国家自然科学基金10474034)；（２）可控量子结构的制备及其电荷与自旋调控特性研究（国家量子调控“重大科学研究计划”2006CB921803）
导师姓名
熊诗杰
专业名称
理论物理
职 称
教授
博导/硕导
博导
是否院士
否
是否兼职博导
否
学科专长及研究方向
目前承当的科研项目
1. 国家自然科学基金面上项目：有限温有限密强相互作用物质性质及相变的研究 项目批准号 107750692. 国家自然科学基金重点项目：高温高密强相互作用物质性质的研究 项目批准号 10935001
导师姓名
许昌
专业名称
理论物理
职 称
副教授
博导/硕导
硕导
是否院士
否
是否兼职博导
否
学科专长及研究方向
导师姓名
安晋
专业名称
物理学中量子隧穿效应的研究
物理学中量子隧穿效应的研究量子隧穿效应是量子物理学中的一个重要现象，它发生在系统被过阻尼的时候。
简单的说，隧穿就是指一个粒子能够穿过一个势垒而不被反弹回去的现象。
这个现象在经典物理学中是无法解释的，因为在经典物理学中，认为所有粒子都要以某一种速度来反弹回物体表面。
量子隧穿效应对于半导体器件中的电子传输和核聚变等物理现象的理解有重要作用。
本文将通过对量子隧穿效应的研究，探讨物理学的未来和科技的发展。
一、基本原理量子隧穿效应是一种不可逆的现象，它发生的根本原因是波粒二象性。
在一些物理系统中，粒子不再像经典物理系统中以一定的能量和角动量旋转，因为这些角动量都是量子化的。
因此，一个粒子的波函数贡献可以隧穿到离它很远的区域内。
通俗的说，粒子跨越离它很远的势垒，是因为它在其中存在的不确定性和量子湍流。
二、应用1. 半导体器件在半导体器件中，电子的能量非常低，因此，电子可能会被位于器件表面的电荷阻挡，不允许它们通过。
但是，因为量子隧穿效应的存在，电子仍有可能通过这个势垒，产生隧穿。
这种现象是许多半导体器件的基础，例如电子隧穿二极管（ESD）和隧穿场效应晶体管（TFET）等。
2. 核聚变在核聚变中，原子核隧穿通过具有高能量的势垒可被认为是限制核聚变的主要过程之一。
量子隧穿效应在核聚变中的应用非常广泛，因为核聚变需要非常高的温度和压力。
因此，它需要以量子隧穿的方式来穿过势垒以获得更高的能量和速度。
三、未来展望量子隧穿现象是许多物理学研究的基础，它为未来的科技发展带来了无限的可能性。
目前，研究人员正在尝试创建一种新的“量子隧穿计算机”，这种计算机可以通过穿过算法所需的极难的数学势垒来进行超快的计算。
此外，研究人员也在探究量子隧穿效应在扫描隧道显微镜和芯片制造方面的应用。
这种技术将使芯片制造商可以在不损坏芯片的情况下进行更快，更准确的检测，从而提高芯片制造过程的效率。
总的来说，量子隧穿效应是目前物理学中的一个重要话题，它已经被证明在诸多领域中具有重要的应用价值。
(最新整理)分子磁体的磁性
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1。
单分子磁体的磁性来源于分子本身, 每一个分子相当于一个孤立的“磁畴"。
未磁化时，单分子磁体具有分子磁化强度相反取向的双稳态, 两者布居数相当, 磁化强度的矢量和为零; 当施加一个磁场时双稳态的平衡被打破, 与磁场平行的能态具有更低的能量和更多的布居数, 磁化强度的矢量和不为零; 去磁时,在分子磁化强度矢量重新取向时产生一个能量壁垒，当温度降低甚至低于翻转的能垒时, 翻转速率会减慢, 产生磁化强度的慢磁弛豫行为.翻转能垒的高度决定了单分子磁体的阻塞温度。
对于阻塞温度, 通常认为是在该温度下表现出磁体的行为，但是严格来说有 3 种定义［9]: (1)交流磁化率的虚部在特定的频率出现峰值的温度; （2)样品能观察到磁滞回.出现峰值的温度. 这三种方法确定的阻塞温度可能会相差很多, 文献最常报道的阻塞温度则是指观察到磁滞回线的温度, 另外文献中也常把弛豫时间达到 100 s 时的温度定义为阻塞温度. 在本文中, 阻塞温度指的是观察到磁滞回线的温度。
稀土单分子磁体是一类特殊的单分子磁体. 与过渡金属相比，稀土离子的 f 电子由于其未淬灭的较大的轨道角动量而具有相对较大的磁矩和磁各向异性。
另一方面, 由于稀土离子的 f 电子受外层 s， d 层电子的屏蔽因而磁相互作用较弱, 因此在许多簇合物以及聚合物的体系中, 稀土离子依然表现出单离子的性质，体系的总角动量也仅仅是每个角动量的加和, 而忽略彼此之间的耦合. 尽管稀土离子间的磁相互作用很弱，但是对它的弛豫机制仍然会产生明显的贡献, 依然是研究的重点.稀土单分子磁体的特点和研究方向可以分为 4 个方面：首先, 通过设计稀土离子的晶体场和磁相互作用来构筑具有高能垒高阻塞温度的单分子磁体；其次，稀土单分子磁体常常表现出复杂的多弛豫现象，对它们的弛豫机理至今还没有合理统一的解释，因此许多课题组都在研究它们的磁动力学行为，揭示它们的弛豫机理；再次, 基于稀土单分子磁体的磁动力学行为对它的结构非常敏感，微小的结构变化包括溶剂分子的释放、物理状态的改变等都会对它的磁性产生影响, 因此可以通过修饰端基配体、掺杂，以及外界光、电、热的刺激来对它的磁行为进行调控；最后, 结合稀土自身的荧光特性以及配体的光学活性，以及聚合物三维骨架的气体吸附、离子交换的性质而设计新颖的多功能材料。
(完整)纳米材料四大效应及相关解释
纳米材料四大效应及相关解释四大效应基本释义及内容：量子尺寸效应:是指当粒子尺寸下降到某一数值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。
当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时,导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。
小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。
对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质.表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比.随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加,颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。
宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒.近年来,人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。
四大效应相关解释及应用:表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。
随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加.例如粒径为10nm时,比表面积为90m2/g；粒径为5nm时,比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g.粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。
这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的.表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。
量子隧穿效应 - 维基百科,自由的百科全书
有科学家认为，化学反应中的量子隧穿效应是宇宙中众多有机分子得以合成的基础，也有可能是合成早期 生命所需的有机化合物的重要机制。外太空中，温度极低，并且存在着大量的氢元素和氦元素，和大量 的甲醛分子作合成原料，这些因素，都有利于量子隧穿效应的发生。通过很多类似的反应，可以由简单的 无机原料，突破传统化学反应的禁阻，合成很多复杂的有机化合物。这些有机分子很可能与生命起源有重 要关联。
目录
1 入门概念 2 隧穿效应的例子 3 历史 4 数学推导 5 量子隧穿效应明显的化学反应 6 参阅 7 参考文献
入门概念
这些"类似隧穿现象"发生的尺寸与行进波的波长有关。对于电子来说， 2 型介质区域的厚度通常只有 几纳米。相比之下，对于一个隧穿出原子核的阿尔法粒子来说，厚度会是超小；对于光波来说，虽然 2 型介质区域的厚度超大，类似现象仍旧会发生。
电子波包遇到位势垒而产生的反射 和隧穿效应。往位势垒的左边移动 的明亮圆盘是波包的反射部分。暗 淡的圆盘可以被观察到往位势垒的 右边移动，是波包穿过位势垒的很 微小的一部分。这是经典力学所不 允许的。顺便注意入射波与反射 波，因为叠加，而产生的干涉条 纹。
这里所研讨的现象通常称为量子隧穿效应或粒子隧穿效应。但是，隧穿理论注重的是粒子在波动方面的物 理行为，而不是关于粒子能级方面的效应。因此，有些作者比较喜欢称这现象为波动隧穿效应
同时期，Ronald Gurney 和 Edward Condon 也独立地研究出阿尔法衰变的量子隧穿效应。不久，两组 科学队伍都开始研究粒子穿透入原子核的可能性。
量子隧穿理论也被应用在其它领域，像电子的冷发射 (cold emission)、半导体物理学、超导体物理 学等等。快闪存储器的运作原理牵涉到量子隧穿理论。超大型集成电路 (VLSI integrated circuit) 的一个严峻的问题就是电流泄漏。这会造成相当大的电力流失和过热效应。
隧穿效应资料
隧穿效应
隧穿效应是一种量子力学现象，描述了微观粒子能够通过经典物理学中无法透过的障碍物的现象。
这种现象的发现在理解微观世界中的基本粒子行为中发挥着重要作用。
量子隧穿效应的基本原理
在经典物理学中，粒子被认为必须具有足够的能量才能克服障碍物。
例如，一个足够小的物体将无法通过较高的墙壁。
但在量子力学中，粒子的行为却具有一种奇特性质：即使其量子状态无法在经典物理学中突破障碍物，也能够通过“隧穿”到达目的地。
隧穿效应的应用
隧穿效应在许多领域都有广泛应用。
在半导体器件中，隧穿效应用于隧穿二极管的设计，使得器件在低功耗和高速度方面具有很高的性能。
此外，隧穿效应还被用于扫描隧道显微镜和量子点器件中。
隧穿效应的解释
量子力学通常通过薛定谔方程来解释隧穿效应。
粒子处于波函数的状态，其波函数在障碍物后面不为零，因此存在一定概率穿过障碍物。
这一概率取决于障碍物的高度和宽度以及粒子的波长，当这些条件满足时，隧穿效应就会发生。
小结
总的来说，隧穿效应是量子力学中一个重要且神秘的现象，它推翻了经典物理学对粒子行为的传统认识。
隧穿效应的发现给人们带来了更深入理解微观世界的机会，同时也为现代科学技术的发展带来了重要的应用价值。
量子隧穿效应 宏观
量子隧穿效应宏观
量子隧穿效应是指微观粒子在障碍物中穿越的现象。
相对于障碍物的
高度和宽度来说，微观粒子的尺寸非常小，当微观粒子遇到障碍物时，经典力学认为粒子只能反弹跳返回，但是在量子力学中却发现，微观
粒子在障碍物中能够以某种奇妙的方式通过障碍物，这种现象就被称
为量子隧穿效应。
在微观尺度下，粒子的位置、速度等物理量是由波函数描述的，波函
数是一个复数函数，可以用来描述粒子的状态，而波函数的平方则表
示某一状态的概率密度，即粒子出现在某一位置的概率大小。
量子隧穿效应的发生是由于波函数具有波粒二象性，就是说波函数是
一个波，这个波不仅仅是在粒子周围波动，还能穿过障碍物。
当波函
数的振幅穿过来自障碍物的物理势垒时，波函数的振幅降低，但是波
函数的相位被改变了。
如果障碍物的宽度很窄,物质只能以远大于自身的速度运动，那么物质
将会被“挤”出去并反弹。
但如果障碍物越来越窄，则波函数的振幅
在穿过物理障碍时不断降低，但波函数的相位也受到障碍物影响而被
不断改变，导致最终的波函数产生一定程度的波峰与波谷。
如果障碍
物足够窄，波峰与波谷的振幅都极低，但波函数的相位已经引导粒子
穿过了障碍物。
量子隧穿效应的物理原理和应用涉及到地球科学、生物医学、新材料等领域，例如在扫描隧道显微学中，就是利用量子隧穿效应来观察物质的运动和位置情况。
此外，量子隧穿效应还有一些有趣的现象，例如量子隧穿加速、量子隧穿二极管等。
总之，量子隧穿效应是一种独特的现象，它在整个宏观世界中的意义仍有待进一步探索与研究。
量子隧穿效应与波函数的宏观解释
量子隧穿效应与波函数的宏观解释量子力学是描述微观世界的一种物理学理论，它具有许多令人惊奇的特性。
其中一个重要的现象是量子隧穿效应。
在经典物理学中，我们通常认为粒子只能在能量高于其势能垒的区域内移动。
然而，根据量子力学的观点，当粒子遇到势能垒时，它有一定概率穿越势能垒并出现在势能更低的区域。
这种现象被称为量子隧穿效应。
要理解量子隧穿效应，我们需要回顾一下波粒二象性的概念。
根据波粒二象性，微观粒子既可以表现出粒子的性质，也可以表现出波的性质。
在量子力学中，波函数被用来描述微观粒子的状态。
波函数是一个复数函数，它的平方模给出了粒子在不同位置上被观测到的概率分布。
当粒子遇到势能垒时，根据波函数的演化规律，它有一定概率穿越势能垒。
量子隧穿效应的宏观解释可以通过一个简单的例子来说明。
假设我们有一个高能量的粒子和一个势能垒。
在经典物理学中，我们会认为粒子只能在势能垒的一侧运动，而无法穿越势能垒。
然而，在量子力学中，粒子的行为是由波函数决定的。
当波函数遇到势能垒时，它会发生干涉现象。
根据波函数的演化规律，波函数的一部分会穿越势能垒并出现在势能更低的区域。
这意味着，即使粒子的能量低于势能垒，它仍然有一定概率出现在势能更低的区域。
量子隧穿效应在许多领域中都有重要的应用。
在核物理中，它被用来解释放射性衰变的现象。
根据量子隧穿效应，放射性原子核中的粒子可以穿越势能垒并脱离原子核。
在电子学领域，量子隧穿效应被用来设计隧穿二极管和隧穿场效应晶体管等器件。
这些器件利用了电子的量子隧穿行为，实现了高速、低功耗的电子器件。
虽然量子隧穿效应在微观尺度上是普遍存在的，但在宏观尺度上并不明显。
这是因为随着粒子质量的增加，量子隧穿效应的概率会急剧下降。
根据量子力学的计算，一个质量为1克的物体要观测到量子隧穿效应的概率非常小，几乎可以忽略不计。
因此，在日常生活中，我们通常不会观测到宏观物体发生量子隧穿的现象。
总结起来，量子隧穿效应是量子力学中一个重要的现象，它描述了粒子在势能垒中的穿越行为。
量子力学中的量子隧穿和隧道效应
量子力学中的量子隧穿和隧道效应量子力学是研究微观世界中粒子行为的理论框架。
在量子力学中，存在着一种令人惊奇的现象——量子隧穿，它是指粒子能够穿过或越过传统物理可及范围的障碍。
隧道效应则是量子隧穿的结果，它对于解释许多自然现象和应用于技术领域起到了重要的作用。
1. 量子隧穿现象的描述在经典物理学中，当粒子碰到高能垒的时候，根据其能量是否足够高，会发生两种情况：要么被完全反射回来，要么被吸收。
然而，在量子力学中，情况却有所不同。
根据测量结果和经典理论的预测相比较，量子现象表明，即使粒子能量低于障碍的高度，它们仍然有一定的几率越过垒体。
2. 隧道效应的机制量子隧穿的机制可以通过波粒二象性解释。
粒子在障碍之前的波函数表示了粒子的位置和动量的分布。
当粒子遇到垒体时，由于垒体的存在，波函数受到局部压缩，导致波包宽度的减小。
当波包遇到垒体时，一部分波函数会穿过垒体，而另一部分则被反射回来。
如果能量足够高，量子隧穿的几率就会增大。
3. 隧道效应的应用隧道效应在许多领域中发挥着重要的作用。
量子隧穿是核聚变反应中的重要机制，可以使氢原子核克服库仑排斥力，使核反应更容易发生。
此外，量子隧穿也是扫描隧道显微镜（STM）和隧穿电子显微镜（TEM）等现代科学仪器的基础原理。
这些仪器通过使电子穿过晶体表面或其他材料的隧道，实现对材料表面或内部的高分辨率成像。
4. 量子隧穿对技术发展的影响随着科学技术的发展，量子隧穿的应用日益广泛。
量子隧穿在半导体器件的研究中有着重要的作用，例如隧道二极管和隧道场效应晶体管。
这些器件利用了量子隧穿电流来实现新型电子元件的设计，极大地推动了半导体技术的发展。
量子隧穿还被应用于分子解离、电子荧光以及量子计算等领域，为科学和技术的进步提供了重要的支持。
总结：通过本文的介绍，我们了解了量子力学中的量子隧穿和隧道效应。
量子隧穿是指粒子能够穿越传统物理可及范围的障碍，而隧道效应则是量子隧穿的结果。
量子隧穿现象可以通过波粒二象性解释，它在核反应、科学仪器以及半导体器件等领域有着广泛的应用。
量子隧穿效应和霍尔效应的研究及其应用
量子隧穿效应和霍尔效应的研究及其应用随着科学技术的不断进步，人类开始深入探索微观世界的奥秘。
其中，量子力学的研究成为了当前最热门的领域之一。
在量子力学研究的众多成果中，量子隧穿效应和霍尔效应被广泛应用于实际生产和科学研究领域，成为了量子力学技术的重要组成部分。
一、量子隧穿效应量子隧穿效应是指微观粒子在能量不足以越过势垒时，利用量子态的特性穿越障碍物的过程。
这种现象在半导体器件和核物理实验中被广泛应用。
在半导体器件中，量子隧穿效应起到了非常重要的作用。
例如，隧道二极管就是利用隧穿效应在半导体材料中形成的一种器件。
当两端的电压增加时，电子的能量不断增加，最终达到足以穿越势垒的程度，电流就开始流动。
由于隧穿效应的特性，这种二极管具有极高的速度和能量效率，在高速电子器件的设计中发挥了关键作用。
在核物理实验中，量子隧穿效应也是不可或缺的工具。
例如，通过利用隧穿效应，人们可以在不破坏材料本身的情况下研究原子核的内部结构。
此外，在化学反应中，量子隧穿效应在选择性催化反应和有机合成等方面也有广泛应用。
二、霍尔效应霍尔效应是指在电场和磁场的作用下，电子在导体中沿一定方向运动时，在垂直方向上产生的电势差的现象。
这种效应广泛应用于电子元件、传感器和电子计量等领域。
霍尔效应被广泛应用于半导体器件的制造中。
例如，霍尔元件就是利用霍尔效应测量磁场的重要器件。
此外，在宽带核磁共振成像技术中，利用霍尔效应可以精确测量磁场的分布。
在磁记忆设备、磁电阻存储体和磁阻传感器等方面，霍尔效应也得到了广泛应用。
在纳米科学领域中，霍尔效应也闪耀着光芒。
例如，当研究者利用施加磁场的方式来控制纳米粒子在通道中的方向时，霍尔效应就成为了一个关键工具。
此外，在生物传感器、力传感器和形状记忆合金等方面，霍尔效应也被广泛应用。
总之，量子隧穿效应和霍尔效应是应用于半导体器件、传感器和电子计量等领域中的关键技术。
人们通过对量子力学的研究和应用，推动了科学技术的飞跃发展。
量子隧穿效应的原理
量子隧穿效应的原理量子隧穿是一种量子力学中独特的现象，描述了粒子在经典力学中无法通过的势垒时，以概率性地穿越势垒的行为。
在本文中，我们将探讨量子隧穿效应的原理及其应用。
一、原理解析量子隧穿效应的原理可以归结为波粒二象性。
根据波粒二象性原理，粒子既具有粒子性，也具有波动性。
当粒子遇到一个势垒时，经典力学认为其必须具备足够的能量才能通过。
然而，根据量子力学，存在一个概率波函数，描述粒子以一定概率通过势垒的可能性。
具体而言，假设有一粒子在遇到势垒时，其可能的波函数会被分为入射波和反射波，入射波沿着势垒传播，而反射波返回原来的方向。
在经典力学中，只有入射波，而反射波的存在是量子力学的独特特征。
当粒子的波长小到与势垒大小相当时，波函数的传播性质将被势垒所影响，产生隧穿的效应。
二、实际应用量子隧穿效应在实际应用中有着广泛的应用，以下是其中几个重要的实例：1. 扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy, STM）STM是一种利用量子隧穿效应进行表面原子及电子结构研究的仪器。
它通过将电子注入尖端针的形式，在非常靠近的距离上与样品表面产生量子隧穿效应，从而实现原子尺度的表面测量。
2. 核聚变与中子发射在核聚变过程中，氢核需要以很高的能量克服库仑排斥势能才能融合。
然而，由于量子隧穿效应的存在，氢核在更低的能量下也可以发生核聚变。
此外，中子经历核反应时，同样会遇到势垒，通过量子隧穿效应，中子可以以较低的能量穿越势垒从而产生中子发射。
3. 半导体器件在半导体器件中，电子通过氧化层的隧穿可以实现电子的注入和擦除，从而改变材料的导电特性。
这种现象在电子束曝光和闪存存储器中得到广泛应用。
三、量子隧穿与传统走物理学的关系量子隧穿效应是在经典力学理论基础上发展起来的量子力学独特现象。
传统物理学只能解释纳米尺度以上的物理现象，当物体尺寸达到纳米级别时，量子效应开始显现，而其中最重要的即为量子隧穿效应。
磁子学中的拓扑物态与量子效应
磁子学中的拓扑物态与量子效应
磁子学是一个研究磁性材料中的磁相互作用和磁自旋运动的学科，涉及从最基本的物理概念到应用领域的广泛研究。
在磁子学中，拓扑物态与量子效应成为了热门话题，因为它们的出现改变了我们对磁性材料的认识和利用方式。
拓扑物态是指材料内部的空间结构的一种性质，表现出来的是它在电子能带的拓扑性质上的表现。
拓扑性质是描述物理现象的一种性质，不依赖于具体物质的性质和尺寸，因此在不同体系中有广泛的应用。
在磁子学中，磁性材料中的拓扑物态由electron spin和magnetic field共同调制产生。
这些磁拓扑态的出现使得磁性材料不仅仅是一种用于磁性存储的材料，其在能输运、激子与自旋交互等方面的应用也日益受到关注。
量子效应是指量子力学基本原理在宏观物体中的表现。
在磁子学中，量子效应的表现主要是指自旋震荡、自旋谐振现象、自旋共振现象等。
这些现象在磁性材料的应用中发挥着重要的作用，如在磁共振成像中的应用，利用原子和分子中电子和核自旋之间的相互作用进行分析和成像。
磁子学中的拓扑物态和量子效应通常是相互关联的。
例如，在拓扑绝缘体中，电子的自旋奇异性直接导致了磁结构的形成，而在铁磁体中，磁性自旋结构又是导致磁单极子的主要原因。
这些拓扑物态和量子效应不仅引起工业上的重视，而且也深刻影响了我们对磁性材料的认知，随着磁子学的进展，更多的新的拓扑物态和量子效应将被揭示出来，其应用也将不断拓展。
单分子磁学中的量子行为研究
单分子磁学中的量子行为研究单分子磁学是一门研究单个分子和单个离子磁性行为的学科，它已经成为近年来磁性材料研究领域的重要方向之一。
随着实验技术和理论模型的不断发展，单分子磁学研究涉及到了多个领域，其中量子行为研究也引起了广泛的关注。
量子行为在单分子磁学中的研究主要关注于单分子自旋转动的量子效应。
由于单分子较小，尺寸通常在纳米级别，其中包含的自旋也非常有限，所以其自旋动力学受到量子效应的显著影响，这种影响在低温条件下尤为显著。
量子行为的研究通常需要基于一些已有的理论模型，例如量子隧穿效应、量子纠缠、量子涨落等。
仅仅依据实验数据进行分析和解释是不够的，还需要理论研究的支持，以期深入理解量子行为的本质。
在单分子磁学中，量子隧穿效应是一个重要的量子现象。
隧穿通常是指量子粒子从势垒一侧直接穿过势垒到另一侧，而不是经过势垒。
单分子磁体的邻近能级之间的相对位置通常被影响，从而导致在低温下出现官能峰的分裂。
例如，由于自旋-交换耦合（spin-exchange coupling），单分子磁体的基态可以更改自旋构型，从而实现量子隧穿动力学中的量子相互作用和非常规动力学现象。
理解和利用这种现象使得单分子磁体能够用于制造更为高效的信息存储和传输技术。
除此之外，单分子磁体中的自旋也有可能发生相互作用和纠缠。
科学家们通过在分子自旋对之间进行量子纠缠的研究，寻找新的量子效应，可以在信息存储、计算、传输中得到应用。
利用量子纠缠可以实现高效、安全，对于防窃听和破解信息的技术，具有潜在的用途。
此外，还有一些其他的量子现象，例如量子涨落，也在单分子磁学中被广泛研究。
量子涨落通常被理解为能量、磁矩等在短时间内发生瞬间变化的现象。
虽然这种变化的幅度极小，但是在单分子中，它可以引起瞬态动力学现象和者量子共振构型。
因此，研究单分子中的量子涨落可以帮助我们更好地理解和控制单分子系统的动态响应。
综上所述，单分子磁学中的量子行为研究已经成为了当今磁性材料领域的热点之一。
量子隧道效应
简介由微观粒子波动性所确信的量子效应。
又称势垒贯穿[1]。
考虑粒子运动碰到一个高于粒子能量的势垒，依照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；依照量子力学能够解出除在势垒处的反射外，还有透过势垒的，这说明在势垒的另一边，粒子具有必然的概率，粒子贯穿势垒。
理论计算说明，关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的量子效应，关于宏观现象，事实上不可能发生。
隧道效应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。
关于微观，量子力学却证明它仍有必然的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。
关于谐振子，按经典力学，由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。
却证明这种核间距仍有必然的概率存在，此现象也是一种隧道效应。
隧道效应是明白得许多的基础。
隧道效应概述在两层导体之间夹一薄绝缘层，就组成一个电子的隧道结。
实验发觉电子能够通过隧道结，即电子能够穿过绝缘层，这即是隧道效应。
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），当两头施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部份微粒子在E ＜V的条件下，能够从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。
产生隧道效应的缘故是电子的波动性。
依照，在低速情形下，具有（）E的电子的波长h隧道效应λ=-----------------√2mE（其中，h——；m——电子质量；E——的动能），在势垒V前：假设E＞V，它进入势垒V区时，将波长改变成hλ’=----------------------√2m（E-V）假设E＜V时，虽不能形成有必然波长的波动，但电子仍能进入V区的必然深度。
宏观量子隧道效应
宏观量子隧道效应
宏观量子隧道效应是指在宏观尺度上，量子力学的隧道效应在某些特定条件下仍然显著影响系统的行为。
这种效应通常发生在宏观系统的微观结构具有量子特性的情况下，导致了一些经典物理学无法解释或预测的现象。
以下是宏观量子隧道效应的一些常见例子：
1.超导电性：在超导体中，电子对以宏观量子态的形式存在，能够在超导态下通过量子隧道效应自由移动，导致超导体的零电阻和磁通量量子化等特性。
2.磁通量量子化：在超导环中，磁通量可以通过量子隧道效应以一定的量子单位进行穿过环的不同区域，导致磁通量量子化现象。
3.磁体磁化：在纳米尺度下，由于量子隧道效应的存在，磁体的磁化可能表现出量子隧道磁化的行为，导致磁性的量子涨落和量子隧道磁滞回线等现象。
4.量子点导电性：在量子点等纳米结构中，由于量子隧道效应的存在，电子可以通过量子隧道穿越能带禁带，导致量子点的电导率和电子输运性质发生变化。
5.量子热传导：在纳米尺度下，由于量子隧道效应的存在，声子的热传导可能表现出量子行为，导致纳米材料的热导率呈现出量子涨落和量子隧道热传导等现象。
这些宏观量子隧道效应的存在使得我们对于宏观系统的理解更加丰富和深入，同时也为新型材料和器件的设计和应用提供了新的思路和可能性。
量子隧穿效应
量子隧穿效应量子隧穿效应是量子力学中的重要概念，它揭示了微观世界中粒子的一种特殊行为。
本文将介绍量子隧穿效应的基本原理、实验观测以及其在科学研究和应用中的重要性。
一、基本原理量子隧穿效应是指在势垒下，粒子出现在经典力学不允许的区域的现象。
在经典力学中，当一个粒子碰到一个高于其能量的势垒时，根据经典物理定律，该粒子将被反弹或被阻挡。
然而，根据量子力学的原理，粒子具有波粒二象性，它们可以在势垒下出现在经典禁区。
量子隧穿效应的产生是基于不确定性原理的结果。
根据不确定性原理，我们无法准确知道粒子的位置和动量，只能通过波函数的概率分布来描述。
当粒子遇到势垒时，其波函数会透过势垒，有一定的概率出现在势垒的另一侧。
二、实验观测量子隧穿效应的实验观测是通过一系列精确的实验验证来证实的。
其中最常见的实验是扫描隧穿显微镜实验（STM）。
STM利用隧穿效应的原理，通过在表面扫描探测针和样品之间的隧穿电流来观测各种材料的表面形貌和表面物理性质。
除了STM，科学家还通过其他实验方法观测到了量子隧穿效应，如透射电子显微镜实验（TEM）、穿隧电流实验等。
这些实验的成功观测为量子隧穿效应的研究提供了有力的证据和实验数据。
三、重要性和应用量子隧穿效应在科学研究和技术应用中具有重要的意义和广泛的应用。
1. 量子力学研究：量子隧穿效应是研究量子力学现象的重要基础之一。
通过对量子隧穿效应的研究，科学家们可以更深入地了解量子世界的特性，揭示物质微观行为的奥秘。
2. 纳米科技：量子隧穿效应在纳米科技中有广泛的应用。
通过利用隧穿效应，科学家们可以实现纳米尺度下的电子输运、磁性材料的纳米磁性调控、纳米尺度下的电子器件等。
3. 核聚变：量子隧穿效应在核聚变反应中发挥了重要作用。
在核聚变过程中，氢原子核需要克服库仑势垒才能进行聚变，而隧穿效应则为氢原子核的聚变提供了可能。
4. 导电性和热传导：通过量子隧穿效应，电子可以透过势垒，并在导电材料中传输。
量子隧穿效应
量子隧穿效应量子隧穿效应是量子力学中一种重要且奇特的现象，它描述的是微观粒子在类似势垒的区域内，可能出现超越经典物理学预测的穿越现象。
本文将介绍量子隧穿效应的基本原理、相关应用以及对科学发展的意义。
一、基本原理量子隧穿效应是基于量子力学的概念，其核心是波粒二象性原理。
根据波粒二象性，微观粒子既可以被看作波动，也可以被看作粒子。
在经典物理学中，一个粒子如果没有足够的能量，是无法通过势垒的，而必须越过该势垒才能继续前进。
然而，在量子力学中，微观粒子具有波动特性，它们在经过势垒时，会表现出概率波函数的干涉和叠加效应。
当概率波函数的幅度分布在势垒之外时，存在一定概率粒子会穿越势垒，进入本该被禁止的区域。
这种现象就是量子隧穿效应。
二、相关应用1. 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一种利用量子隧穿效应测量物体表面形貌和电子特性的高分辨率显微镜。
STM通过在探针和样品之间施加微小的电压，使电子通过隧穿效应从探针穿过空隙输送到样品表面上，通过对隧穿电流的测量得到样品表面的显微图像。
2. 四面体结构在化学领域，量子隧穿效应对于描述四面体结构的成键和反映分子之间的空间取向关系起着重要作用。
在传统化学中，四面体结构的成键被认为需要获得足够的能量，但隧道效应表明成键发生的可能性并不取决于能量，而是取决于波函数的幅度分布。
这一发现对于理解分子的结构和化学反应具有重大意义。
3. 穿隧发光二极管穿隧发光二极管（Tunneling Light Emitting Diode，TLED）是一种利用量子隧穿现象产生光辐射的新型光电器件。
TLED中的电子通过量子隧穿效应从导层穿越势垒进入禁带，使空穴和电子发生复合，释放能量并辐射光子。
TLED具有高效率、长寿命和低功耗等优点，具有广泛的应用前景。
三、科学意义量子隧穿效应的发现和研究突破了经典物理学的局限，揭示了微观世界的奇妙规律，对于拓展科学认知、推动科学发展具有重要意义。
隧穿磁阻效应
隧穿磁阻效应隧穿磁阻效应是固态电子学和纳米电子学研究中一项非常重要的现象。
这一效应是指在具有磁特性材料之间或者磁性电极与非磁性电极之间，电子隧穿过薄的介质隔层时，由于磁场的影响，隧穿电阻的大小会发生一定的变化。
下面就隧穿磁阻效应详细解析一下。
隧穿磁阻效应的基本原理是量子隧道效应。
量子隧道效应是指电子克服障碍物进入具有能隙的区域的现象。
当电子的波长与隙缝的宽度相当时，就会发生隧道效应。
如果介质的厚度非常薄，电子就可以通过隧道效应穿过介质。
另外，当介质中含有铁、镍、钴等元素时，字带禁带的变化会导致在这些材料中电子状态的变化，进而会改变介质中的电子排布。
这一过程就被称为磁性隧穿。
磁性隧穿发生时，由于电子的自旋分裂和电子的自旋与磁矩的相互作用，从而导致磁化方向的改变，即静磁场中的强度大小会导致隧穿电子的磁化方向发生改变。
隧穿磁阻的测量方法通常是通过制备样品，在样品上形成不同的电极，并测量通过不同极之间的隧穿电流，最后根据电流大小和电压得到电阻大小。
就可以通过电阻的变化测量出隧穿磁阻效应的大小。
量子磁阻基于量子隧穿效应，磁阻率的变化保存在材料介质中。
隧穿磁阻效应的应用领域主要是纳米电子技术领域。
在纳米电子元件中常常广泛使用磁性材料。
例如，由于隧穿磁阻效应的存在，磁性材料可以被用来制造高悬臂测量、磁性随机存储器（MRAM）等电子器件。
这些器件具有许多比传统电子元件更好的性能，如更快的操作速度、更低的功耗和更大的存储容量等。
隧穿磁阻效应的研究不仅有理论上的意义，而且具有重要的应用价值。
在应用纳米电子器件时，研究隧穿磁阻的大小对制造高性能电子器件非常重要。
未来，隧穿磁阻效应可能还会在其他领域有所应用。
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磁滞回线量子化台阶可由 2+)# 分子自旋态之 间的热助量子隧穿解释( 2+)# 有极强的单轴各向异 性， 无外场时， 每个 2+)# 分子都有一双重简并基态 （ # : < )$ ） 对应自旋平行和反平行于易轴取向( 两 简并基态被各向异性势垒分离， 是宏观可区分态( 外 加磁场使一态能量升高另一态降低， 低温下弛豫过
#! 分子磁体中的宏观量子效应及实验
图 #! 2+)# 分子团簇的低温磁滞回线 （ "$ 表示外磁场）
! ( "# 磁滞回线量子化台阶 )334 年， " 个实验组分别在高自旋大分子醋酸 锰 （ 简称 2+)# ， 分子结构如图 ) 所示） 的低温磁滞回
［ )4 —)3 ］ 线上观 测 到 有 规 律 的 量 子 化 台 阶 ( 图# 是 ［ )3 ］ -56,78 等人的实验结果 ( 在磁场增加方向相等
图 =" 6-7 分子团簇结构示意图 ［ 摘自 FFF. GHB. $H& C I)##-(’% C J$K-GI-H， 0111 ］
2880 年， L$BB 等人根据自旋相干态路径积分的 观点指出， 几何位相的存在导致磁体总自旋为半整 数时隧穿劈裂淬灭， 这一现象可用 4H+G-H 简并解
［ 03 ］ 释 . 后来 M+H& 在分析隧穿路径位相相干的基础
密顿量描述， 即 + $ , % +-# +# " ) . ,& -/ ， （0） 其中各向异性常数均为正值， 且 , % K , & 3 若不存在 量子隧穿， 则磁化矢量沿 / * 取向是两宏观稳定态， 即宏观简并基态， 记为 ’ 〉 ， (〉 3 磁化矢量 （ 宏观 量） 的量子隧穿导致两简并宏观态相干关联， 能级 分裂3 结果是 0 ） ， # 9 〉 $ （ ’〉. (〉 # ! 0 ） ， （#） # E 〉 $ （ ’〉& (〉 # ! 其中偶 态 # 9 〉 能 量 较 低， 是 磁 体 的 基 态， 而奇态 是第一激发态3 # 9 〉 ， #E 〉 是宏观量子叠加态， #E 〉 即薛定谔猫态的相干叠加3 解含时薛定谔方程容易 发现， 分子磁体磁化矢量在两易磁化方向 （ 宏观简 ! 3 "# 磁弛豫实验 纳米铁磁颗粒的低温弛豫反常是最早确认的宏 观量子效应实验3 044# 年， 5+*1+*+ 小组研究了铁磁 颗粒 （ 61$3 7 89$3 7 :9# ） （ 平均尺寸为 07,; ） 中的弛豫
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评" 述 中 & % A 1. !!74，& & C & % A 1. D!. E " 方向是分子磁 体的两个简并宏观量子基态 （ 易磁化方向） ， 可通过 量子隧穿关联形成相干叠加态 （ 即薛定谔猫态的相 干叠加） ， 即分子磁体在两易磁化方向间通过量子 隧穿往复振荡. 结果简并解除， 能级劈裂. 该隧穿能 级劈裂可用磁共振吸收实验测量.
［ )， )) —)* ］ 果 ( 近几年来的重大发现是， 某些磁性大分
图 )! 2+)# 的结构示意图 （ 外层黑色和中间影线大圆分别表示 2+" 9 和 2+% 9 ）
（ 见图 " ） ， 而低磁场区的台阶变得平滑( 改变磁场方 向发现， 量子化台阶的出现只与磁场平行于分子磁 体易磁化轴的分量有关( 此外， 实验还显示， 弛豫时 间随外磁场振荡( 弛豫时间的极小值对应隧穿率的 极大值， 即对应磁滞回线上的跳变( 用交流磁化实验 测得 2+)# 分子团簇自旋 ! : )$( 相邻分子间的平均 距离为 )*;， 因而可忽略分子间的相互作用( 图 # 可
上预言， 在双轴自旋模型难磁化轴方向加一磁场， 会
［ 0D ］ 引起隧穿劈裂随外磁场振荡 . 2888 年， N-H%B*$H,O
-H 和 P-BB$#’ 在 6-7 分子团簇中观察到了这一振荡现
图 /" 共振和热助隧穿示意图
［ 07 ］ （ 实验温度 ( Q !=1G4， 先用微超导量子干涉 象
仪 （ G’;H$OPRSTUB） 测隧穿几率， 然后用 L+%*+) V W-O !" !# $%& 分子磁体中的宏观量子相干 6-7 分 子 是 287/ 年 首 次 合 成 的， 分子式为 ［ 6-7 9（ （ (+;% ） 其中 (+;% 表示有机配位 0 9: ） 20 3］ ， 7 个 6-! < 离子 基. 6-7 分子团簇的结构如图 = 所示，
发跃迁到较高能级， 量子隧穿在高能级进行. 当温度 低于 1. 34 时， 磁滞回线与温度无关 . 除 5%20 分子 磁体外， 在 6-7 和 5%/ 超分子二聚物 （ ［ 5%/ ］ 的低 0） 温实验 中 也 观 察 到 了 类 似 的 磁 滞 回 线 量 子 化 台
［ 0! ， 0/ ］ 阶 .
图 !" 高纵向磁场 （ #$%&’()*’%+# ,’-#*） 区磁滞回线局部
ห้องสมุดไป่ตู้
程由量子隧穿引起. 每当左右势阱能级相等时， 发生 量子隧穿， 称为共振隧穿. 磁滞回线的每一台阶对应 一共振隧穿 （ 如图 / 所示） . 因基态隧穿率很小 （因 而弛豫时间十分长） ， 弛豫过程被认为是由热助隧
［ 01 ， 02 ］ 穿产生 ， 图/ （ 右） 解释了这一过程： 通过热激
评! 述
分子磁体中的量子隧穿及宏观量子效应 !
梁! 九! 卿 "
（ 山西大学理论物理研究所! 太原! #$###% ）
摘! 要! ! 文章介绍了分子磁体中的量子隧穿和宏观量子效应理论和实验研究的新进展& 分子磁体既有宏观磁体 特性也呈现纯量子行为， 例如磁化矢量的量子隧穿& 文章作者解释了如何通过量子隧穿实现宏观量子相干 （ 即薛定 谔猫态的相干叠加） 和量子态位相干涉& 对隧穿率计算的瞬子方法， 特别是有限温度隧穿理论及其在分子磁体量子 隧穿中的应用也做了简要的阐述& 关键词! ! 分子磁体， 量子隧穿， 宏观量子效应， 瞬子
物理
发现， 分子基态自旋 ! A 21. 6-7 分子有双轴各向异 性， 我们选易和难磁化方向分别为 " 和 # 轴， 则各向 异性能可表示为 $ % & % ;$B0 ! ’ & & B’%0 !B’%0 " ， 其
・ )(’・
评! 述
图 &! 弛豫时间的温度依赖关系 （ 箭头所指为偏离 <**=9,>?- 定律， 单位 "- ） ［ 摘自 DDD3 ;*-3 "$ 表示时间， E*F G 1?HH9)>, G IEJ9;19*#$$$ ］
34/%-#,%5 5 ) 345-46 -7 83474194: ;< 34=419 :454>;8?4197 -1 9@4 4A843-?419B> B1: 9@4;349-=B> 79.:-47 ;< C.B1/ 9.? 9.114>-12 B1: ?B=3;7=;8-= C.B19.? 4<<4=97 -1 ?;>4=.>B3 ?B21497 6@-=@ 4A@-D-9 D;9@ ?B=3;7=;8-= B1: C.B1/ 9.? D4@B5-;3，<;3 -179B1=4，C.B19.? 9.114>-12 ;< 9@4 ?B2149-EB9-;1 54=9;3& F4 4A8>B-1 @;6 9; 34B>-E4 ?B=3;/ 7=;8-= C.B19.? =;@4341=4，1B?4>G 9@4 7.8438;7-9-;1 ;< H=@3I:-1243 =B9 79B947 B1: C.B19.? 8@B74 -1943<4341=4 DG ?4B17 ;< C.B19.? 9.114>-12& J@4 -179B19;1 ?49@;: <;3 45B>.B9-;1 ;< 9.114>-12 3B947 B9 9@4 23;.1: B1: 4A=-94: 79B947 -7 B>7; -193;:.=4:& 6’7 8.-+/5 5 ?;>4=.>B3 ?B2149 ，C.B19.? 9.114>-12，?B=3;7=;8-= C.B19.? 4<<4=9 ，-179B19;1
也是量子信息工程的基础& 是否存在宏观可区分态，
K! 引言
量子力学是支配物质世界运动和变化规律的基 本法则， 而描述宏观现象的经典力学一般地说只是 量子力学在宏观尺度下的近似& 通常宏观系统的量 子效应并不显著， 但在特定的系统中， 量子现象也可 在宏观尺度下表现出来， 称为宏观量子效应& 例如， 液氦中的超 超导体中的约瑟夫森 （ ,;748@7;1 ）隧穿， 流动性， 以及玻色 P 爱因斯坦（ U;74 P R-1794-1 ）凝 聚等都是众所周知的宏观量子效应例子& 随着半导 体微电子技术的发展， 磁性材料的制备和研究已进 入纳米尺度& 低温下纳米磁体已表现出明显的量子
［ K —$ ］ 特性 ， 纳米磁体磁化矢量的隧穿即一种宏观量
即薛定谔 （ H=@3I:-1243） 猫态的相干叠加是自量子力 学建立以来极 具 挑 战 性 的 问 题& N# 世 纪 V# 年 代， N##$ 年的诺贝尔奖得主 ’422499 等指出， 宏观可区分
［ Q］ 态的相干叠加可通过量子隧穿实现 ， 也就是说，