《量子理论最新发展》PPT课件

介观系统的物理现象之所以引起物理学家的兴 趣，一个重要的原因是由于现代工艺技术的发展。 目前，制作长度在微米，线度为几十个纳米的样品 己不是太困难的事情。一些线状或环状的小尺寸样 品的实验结果呈现出与宏观极不相同的现象，观察 到强烈的量子干涉效应。这是电子的波动性在充分 地发挥作用。介观系统中最能体现电子波动性的是 AB效应，它是介观物理发展的基础。
纳米电子学主要研究结构尺寸为纳米量级的电 子器件和电子设备。这是一个正处在重大突破前期 的领域。众所周知，制造大规模和超大规模集成电 路是发展高级电子计算机和电子技术的基础。因此， 进一步缩小器件结构尺寸始终是当今世界高科技领 域中的一个追求目标。随着集成工艺技术的不断发 展。计算机的速度几乎每两年翻一番，其元件尺寸 则每两年缩小一倍，如今计算机芯片的线度 ( 元件 联线的最小尺寸)只有0· 35微米。而目前关于半导体 的p-n结的理论至亚微米级以下就失效了。现有的电 子器件尺寸缩小到纳米尺度，与电子的德布罗意波 长接近时，电子的波动性将起主导作用。
1947年，贝尔实验室巴丁，布拉顿， 肖克莱发明第一只晶体管。 晶体管→集成电路→大规模→超大规模 物理学发展刭现在是否已到头了呢? 是否可能在二十一世纪出现第四次 技术革命?
量子力学所提供的理论观点和数学方法给我 们的世界带来了巨大的变化，也使我们对这个世 界有了新的了解。它的理论观点和数学方法为现 代粒子物理，原子分子物理，凝聚态物理提供了 一个新的基础，也为光化学，结构化学提供了物 理基础，也理所当然成为现代分子生物学，生物 化学，微电子学，光电子技术，新材料，新能源， 生物技术的基础。近几年来，又为现代信息理论 提供了新的基础。
量子理论最新发展
许晶波 浙江大学物理系和浙江近代物理中心 E-mail:phyxjb@yahoo.com.cn 2009年5月
二十世纪的一百年是人类历史上科学 技术发展最迅猛的时期，日新月异的科学 发现和技术发明改变了人类的生产和生活 方式。 二十世纪科技界公认的三项最伟大的 成就： 第一项：爱因斯坦1905年提出的狭义相对 论和1916年提出的广义相对论。
近十年来，介观物理得到了迅猛的发展，人们 对磁场电阻的周期振荡，金属环中的持续永久电流、 电导起伏的普通性、磁指纹、非定域效应等介观尺 度上的物理现象进行了大量的研究，已得到了许多 新的研究成果。
纳米科学技术是在介观物理、量子力学等现代 科学与计算机、微电子和扫描隧道显微镜等先进工 程技术基础上发展起来的一种研究和应用原子、分 子现象的全新的科学技术。纳米科学技术的诞生源 于扫描隧道显微镜的发明。扫描隧道显微镜是基于 量子力学中的隧道效应制成的新型原子级这一空前 高分辨率的电子显微镜，是继第一代光学显微镜和 第二代电子显微镜之后出现的第三代显微镜。扫描 隧道显微镜不仅可以获得固体表面原子的图象，而 且可以在自然条件下对生物大分子进行高分辨率的 直接观察。
•介观物理和纳米科学技术： 物理学所研究的系统通常有微观和宏观之分， 微观系统的尺度为原子数量级，即10的负8次方厘米 数量级，包含个数不多的粒子。宏观系统的尺度远 大于原子尺度，包含大量的微观粒子，约为阿伏枷 德罗常数数量级。宏观系统和微观系统的最重要的 区别在于它们所服从的物理规律十分不同，在微观 系统中宏观规律 (经典力学规律)不再适用，需要服 从量子力学规律。波函数的相位起着重要作用。
Single Electron Devices
量子光学
量子光学是研究光场的相干性和量子统计特性 以及光与物质相互作用的量子特征的学科。 HBT 实验－新型的光学干涉实验(1956年)，被 公认为量子光学发展的奠基性实验。
不同类型的光场，其根本区别在于量子统计特 性的不同。现有的光源按其量子统计特性可分为三 类，即热光源，激光和非经典光场。量子光学感兴 趣的是非经典光场，非经典光场具有经典体系不允 许存在的统计性质，称为非经典效应。已为实验证 实的非经典效应有压缩效应，反聚束效应和亚泊松 分布。
第二项：由普朗克，德布罗意，玻尔，薛 定谔，海森堡，玻恩，狄拉克等共同创造 的量子论和量子力学。
第三项：美国的沃特森和英国的克里克提 出的DNA分子双螺旋结构模型。 这三项科学成就为二十一世纪科学技 术的发展尊定了基础。
我们生活的时代是计算机时代，太空时 代和原子能时代。通讯和计算机十分发达， 这个时代的到来与物理学有密切的关系。
近几年来，发现了尺度介于两者之间的介观 系统。介观系统的尺度是微观尺度的 10－100倍， 包含约10的8次方至10的11次方个微观粒子。介观 系统基本上属于宏观范围，其物理量仍然是大量 微观粒子统计平均的结果，但粒子波函数的相位 的相干迭加并没有统计平均掉，量子力学规律起 着支配作用。介观系统的量子微观特征在宏观测 量时仍能观察到，这不仅有助于对量子力学和统 计物理的一些基本原理进行实验上的检验，而且 有助于设计新一代的微电子器件，因此具有重要 的应用前景。
历史上三次技术革命都与物理学有关：
第一次：十八世纪六十年代，提高蒸汽机 效率，热力学发展，显示物理学与技术的 相互依赖性。
第二次：十九世纪七十年代，法拉第和麦克 斯韦发展了电磁场理论。电力技术的应用， 通讯得到迅速发展。 第三次：二十世纪五十年代，量子力学和 相对论，原子能，计算机和空间技术的发 展。以计算机为核心的高新技术群，掀起 了一场技术革命的浪潮，称为第三次浪潮。 这次意义比前两次更为重源自文库。起源量子力 学和相对论。
因此，纳米电子学必须采用量子力学来研究。 由于微电子原件尺寸减小受到材料的电子性能和器 件加工方法的限制，也受到组装成本的限制，解决 这些问题的出路是在于发展量子器件，即原子、分 子器件，以至于实现量子计算机。
近几年来，纳米电子学的研究己取得了重要的 突破。美国IBM 公司制成了用两个原子构成的隧道 二极管，其中一个原子在扫描隧道显微镜的探针顶 尖，另一个原子在硅片表面。这表明制作原子器件 是完全有可能实现的。