介觀物理學(xué)又叫什么 你眼中的天體物理學(xué)

介觀物理學(xué)研究什么？介觀的介觀物理學(xué)，介觀物理學(xué)的介紹。

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• 物理的研究領(lǐng)域有哪些
• 宏觀物理學(xué)和微觀物理學(xué)
• 你眼中的天體物理學(xué)

物理的研究領(lǐng)域有哪些

介觀物理學(xué)是物理學(xué)中一個(gè)新的分支學(xué)科?！敖橛^（mesoscopic）”這個(gè)詞匯，由Van Kampen于1981年所創(chuàng)，指得是介乎于微觀和宏觀之間的尺度。介觀物理學(xué)所研究的物質(zhì)尺度和納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一領(lǐng)域的研究常被稱為“介觀物理和納米科技”。介觀的特征尺度為：10^-7~-10^-9m。

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宏觀物理學(xué)和微觀物理學(xué)

介觀物理學(xué)是物理學(xué)中一個(gè)新的分支學(xué)科?！敖橛^（mesoscopic）”這個(gè)詞匯，由VanKampen于1981年所創(chuàng)，指得是介乎于微觀和宏觀之間的尺度。介觀物理學(xué)所研究的物質(zhì)尺度和納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一領(lǐng)域的研究常被稱為“介觀物理和納米科技”。對(duì)于微觀粒子，原則上可以對(duì)薛定諤方程進(jìn)行嚴(yán)格的或近似的求解。對(duì)于宏觀物質(zhì)的研究，則應(yīng)用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法，考慮大量粒子的平均性質(zhì)。處于介觀尺度的材料，一方面含有大量粒子，因而對(duì)無(wú)法薛定諤方程的求解；另一方面，其粒子數(shù)又沒(méi)有多到可以忽略統(tǒng)計(jì)漲落的程度。這種漲落稱之為介觀漲落，是介觀材料的一個(gè)重要特征。除了試驗(yàn)和技術(shù)上的重要應(yīng)用外，介觀尺度在理論上是探索量子混沌現(xiàn)象的重要場(chǎng)所?；煦绗F(xiàn)象是宏觀經(jīng)典力學(xué)中的普遍現(xiàn)象，但在量子世界中，目前還不能觀測(cè)到低激發(fā)態(tài)量子系統(tǒng)的混沌現(xiàn)象。介觀物理研究的物質(zhì)處于量子體系的高激發(fā)態(tài)，其微觀性質(zhì)和對(duì)應(yīng)的宏觀力學(xué)性質(zhì)有很大關(guān)聯(lián)。對(duì)應(yīng)的宏觀力學(xué)系統(tǒng)行為不同的話（可積系統(tǒng)或是混沌系統(tǒng)），材料的微觀性質(zhì)也會(huì)不同。這使得介觀物理成為研究量子混沌以及量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)過(guò)渡關(guān)系的重要領(lǐng)域。下面來(lái)簡(jiǎn)要地介紹一下介觀物理的特征和介觀物理的一些新的物理現(xiàn)象。（一）兩種散射，弱局域電性我們都知道，在量子力學(xué)中，體系的狀態(tài)由波函數(shù)來(lái)描寫。波函數(shù)由振幅乘以一個(gè)相因子所組成，波函數(shù)與經(jīng)典的波函數(shù)一樣，滿足疊加原理。波函數(shù)隨時(shí)間的演化由薛定諤方程所描述。因面微觀粒子有類似于波的一些現(xiàn)象：干涉、衍射等。為什么通常的物理測(cè)量中，與相位相關(guān)的相位特征沒(méi)有被觀測(cè)到呢？這是因?yàn)橥ǔ５暮暧^系統(tǒng)由大量的微觀粒子所組成，空間的尺度遠(yuǎn)大于粒子的德布羅意波長(zhǎng)。因此，這些粒子的波函數(shù)之間就缺乏足夠的相干性。于是，測(cè)量結(jié)果就是它們的平均值。例如，電子在原子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)滿足玻爾的量子化規(guī)律，即電子的動(dòng)量與電子繞核的旋轉(zhuǎn)半徑的乘積只能是的整數(shù)倍，或者說(shuō)電子繞原子核一周時(shí)電子相位的改變只能是的整數(shù)倍。這就是原子的玻爾量子化現(xiàn)象。但是，考慮一個(gè)導(dǎo)線繞成的一個(gè)圓環(huán)中運(yùn)動(dòng)的電子，由于電子在導(dǎo)線中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到各種散射，電子在比圓環(huán)尺寸小得多的尺度上就已經(jīng)失去了相干性，當(dāng)然也就觀測(cè)不到類似于原子理論中玻爾的量子現(xiàn)象了。當(dāng)量子理論應(yīng)用到固體中后，發(fā)展成了所謂的固體量子論。固體量子理論的一個(gè)歷史性的成功就是正確地指出晶體的電阻是因?yàn)榫w中無(wú)規(guī)則分布的雜質(zhì)所引起的。這些雜質(zhì)可以是晶體中的摻雜和缺陷、固體中的晶格振動(dòng)（稱為聲子）。雖然，對(duì)每一個(gè)電子的散射是波的散射，但是由于雜質(zhì)的分布是無(wú)規(guī)則的，所以一般不考慮散射波之間的相干性，從而可以把電子當(dāng)作有一定動(dòng)量和位置的經(jīng)典粒子來(lái)處理，描寫晶體的電阻一般是用相空間中的玻爾茲曼方程。在電子的輸運(yùn)過(guò)程中，把一個(gè)波矢為的電子散射為的粒子稱為背向散射。背向散射在電子的輸運(yùn)過(guò)程中起重要的作用。對(duì)于具有時(shí)間反演性的散射勢(shì)而言，盡管各次散射是無(wú)規(guī)的，但是在波矢空間中，散射途徑與的散射振幅卻總是相干的。兩個(gè)相干的波函數(shù)的疊加的絕對(duì)值的平方總是大于各自的絕對(duì)值的平方相加。因而這時(shí)如果不考慮電子的散射的相位的相干性就會(huì)導(dǎo)致與實(shí)驗(yàn)不一到的結(jié)果。因而這種背向散射將對(duì)傳統(tǒng)的電導(dǎo)以及輸運(yùn)理論作出修正。維度越低，背向散射越重要。研究導(dǎo)體中載流子波函數(shù)相位相干性，特別是上述涉及一對(duì)時(shí)間反演對(duì)稱的無(wú)規(guī)行走的閉合路徑的干涉對(duì)輸運(yùn)過(guò)程的影響，常稱為弱局域化的研究。弱局域化的研究，特別是弱局域化電性的研究，使人們認(rèn)識(shí)到彈性散射與非彈性散射的本質(zhì)區(qū)別。如果載流子經(jīng)過(guò)彈性散射，如雜質(zhì)散射，盡管散射過(guò)程很復(fù)雜，但是散射擊前后散射波的相位還有確切的關(guān)系。因而保存了原來(lái)的相位記憶，或者說(shuō)彈性散射不破壞波函數(shù)的相干性。非彈性散射則不同，非彈性散射前后，能量改變，我們知道，能量是和相位（頻率）相聯(lián)系的，因而非彈性散射帶來(lái)了波函數(shù)相位的無(wú)規(guī)變化，從而破壞了散射波的相干性。這樣，載流子的非彈性散射的平均距離定義了一個(gè)有物理意義的尺度，稱為相位相干長(zhǎng)度。在文獻(xiàn)上，把尺度相當(dāng)于或小于相位相干長(zhǎng)度的小尺寸體系稱為介觀體系。（二）普適電導(dǎo)漲落80年代中期，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小的金屬樣品，在低溫下電導(dǎo)作為磁場(chǎng)的函數(shù)呈現(xiàn)非周期的漲落。下圖列出幾個(gè)有代表性的結(jié)果。其中，a和b分別為電導(dǎo)隨磁場(chǎng)的變化的漲落，c為電導(dǎo)隨柵壓的漲落。在金屬性介觀樣品中所觀察到的這種漲落具有如下特征：1）這是與時(shí)間無(wú)的非周期漲落，因而它們不是由于熱噪聲。2）這種漲落是樣品特有的，每一特定的樣品有自身特有的漲落圖樣，而且，對(duì)于給定的樣品，在保持宏觀條件不變的情況下，其漲落圖樣是可以重現(xiàn)的。因此，樣品的漲落圖樣被稱為樣品的指紋。3）電導(dǎo)漲落的一個(gè)最重要的特征是澆落的大小是量級(jí)為的普適量。它與樣品質(zhì)的材料、尺寸、無(wú)序程度、電導(dǎo)平均值的大小無(wú)關(guān)。只要樣品是介觀大小的，并處于金屬區(qū)。理論研究還表明，電導(dǎo)漲落的大小與樣品形狀及空間維數(shù)只有微弱的依賴關(guān)系。正是由電導(dǎo)漲落的這種間適性，所以才稱之為普適電導(dǎo)漲落。從物理上看，普適電導(dǎo)漲落來(lái)源于介觀體系中的量子干涉效應(yīng)。根據(jù)Laudauer理論，電導(dǎo)正比于總透射幾率。從樣品一邊到另一邊的透射幾率是由許許多多的費(fèi)曼路徑的相應(yīng)的幾率幅之和。在金屬區(qū)電子通過(guò)樣品時(shí)經(jīng)歷多次與雜質(zhì)散射，其費(fèi)曼路徑是無(wú)規(guī)行走的準(zhǔn)經(jīng)典的軌道。不同的費(fèi)曼路徑之間的相位差是不規(guī)則的，導(dǎo)到隨機(jī)干涉效應(yīng)，使電導(dǎo)呈現(xiàn)非周期性的不規(guī)則漲落。同時(shí)，電導(dǎo)漲落的大小是，這是明顯不符合統(tǒng)計(jì)力學(xué)的規(guī)律的。我們知道，根據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)，宏觀系統(tǒng)物理量x的相對(duì)漲落為：～其中是x的方差，表示系綜平均，Lc是某一關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度，L是超立方的邊長(zhǎng)，d是超立方的維數(shù)。上式表明，x的相對(duì)漲落隨而趨于零。這一性質(zhì)就前面所說(shuō)的經(jīng)典自平均。下面來(lái)看普適電導(dǎo)漲落的數(shù)值。由于：及歐姆定律：當(dāng)d<4時(shí)上面兩式與經(jīng)典的自平均不符。特別當(dāng)d=2時(shí)，由上式給出的電導(dǎo)的相對(duì)漲落與L無(wú)關(guān)；當(dāng)d=1時(shí)，甚至隨L的增加而增加。由此可風(fēng)，普適電導(dǎo)漲落與經(jīng)典的電導(dǎo)漲落是不同的。Lee和Stone以及Altshuler等到人用微擾的方法研究了普適電導(dǎo)漲落，他們計(jì)算了關(guān)聯(lián)函數(shù)：其中，為無(wú)量綱的電導(dǎo)，電導(dǎo)漲落的大小可表為：他們發(fā)現(xiàn)，在波函數(shù)滿足相位相干的條件下，F(xiàn)（0，0）是數(shù)量級(jí)為1的普適量，與樣品的材料、尺寸、無(wú)序程度、電導(dǎo)平均值的大小無(wú)關(guān)。而與樣品形狀及空間維數(shù)只有微弱的依賴關(guān)系。于是：于是就從理論上證明了介觀系統(tǒng)在金屬區(qū)的電導(dǎo)漲落是普適的。（三）庫(kù)侖阻塞：帶電粒子，在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)，從而形成電流。在多體帶電體系中，由于庫(kù)侖作用，帶電粒子處于兩種電場(chǎng)中：一是形成定向運(yùn)動(dòng)的外電場(chǎng)，二是粒子之間的庫(kù)侖相互作用?？紤]分立的多體帶電系統(tǒng)，這時(shí)形成電流是由于帶電粒子的隧道效應(yīng)，從分立的一部分到達(dá)分立的另一部分。理論預(yù)言，電流一定條件下會(huì)中斷。這就是所謂的庫(kù)侖阻塞。這是一種帶電粒子的關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。如下圖，為一個(gè)電容器，二極板上分有電荷Q，－Q。由于金屬的表面勢(shì)阱，從而可以把電容看成一個(gè)勢(shì)場(chǎng)圖象。量子力學(xué)預(yù)言，電子可以由隧道效應(yīng)而通過(guò)勢(shì)壘從一邊到達(dá)另一邊。因而對(duì)有限在的勢(shì)壘而言，電流總是存在的。理論預(yù)言，從統(tǒng)計(jì)的角度看，電流要能存在，極板上的電荷應(yīng)大于一定的閾值Qth,相應(yīng)的電壓也必須大于一定值。Q-Q由上可知道，只要電荷達(dá)到閾值理，庫(kù)侖阻塞就會(huì)發(fā)生?？紤]一個(gè)外結(jié)電源，只要電源能夠提供足夠的電荷，當(dāng)經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，電荷會(huì)再次超過(guò)閾值，從而隧道又得以導(dǎo)通，接著又達(dá)到閾值，阻塞又發(fā)生，如此往復(fù)，就會(huì)產(chǎn)生所謂的直流音電子隧道振蕩。從而可望獲得對(duì)單電子的控制。（四）超晶格中的量子隧穿：隧穿現(xiàn)象是一種垂直于因品格異質(zhì)結(jié)界面的電子輸運(yùn)過(guò)程，它是超品格中電子態(tài)研究的一個(gè)基本環(huán)節(jié)。在隧穿問(wèn)題的研究中，人們最感興趣的是雙勢(shì)壘諧振隧穿效應(yīng)。所謂諧振隧穿是指當(dāng)電子接連隧穿過(guò)兩個(gè)靠得很近的勢(shì)壘時(shí)，隧穿幾率隨入射電子能量的變化會(huì)出現(xiàn)致個(gè)極大值。對(duì)于具有對(duì)稱雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，發(fā)生諧振時(shí)的電子最大隧穿幾宰等于1，即對(duì)稱雙勢(shì)壘對(duì)某些能量的入射電于是完全透明的、發(fā)生諧振睡穿的物理機(jī)制來(lái)自于兩個(gè)勢(shì)壘之間的勢(shì)阱內(nèi)電子能量的量子化。當(dāng)入射電子能量等于勢(shì)阱中電子的量子化能級(jí)時(shí)，諧振現(xiàn)象發(fā)生。諧振隧穿二極管中的電子輸運(yùn)一個(gè)典型的諧振隧穿二級(jí)管是由兩個(gè)極薄勢(shì)壘和一個(gè)勢(shì)阱構(gòu)成的雙勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的器件中、入射電子的能量是固定的、它決定于發(fā)射區(qū)中電子的狀態(tài)，量子阱中的量子能級(jí)也具有確定的值。為了使諧振隧穿發(fā)生，可在器件上加一電壓，此時(shí)勢(shì)壘上的電壓降改變了量子階中量子能級(jí)與發(fā)射區(qū)費(fèi)米能級(jí)之間的相對(duì)高度、于是在器件的J一丫持性曲線上便可反映出諧振隧穿的存在。在器件上加一電壓后便有隧穿電流產(chǎn)生．當(dāng)電壓正好使得入射電子的能量等于勢(shì)阱中的量于能級(jí)時(shí)，諧振現(xiàn)象發(fā)生，隧穿電流出現(xiàn)極大值。如果外加電壓進(jìn)一步增大．對(duì)應(yīng)于量于阱中能量更高的量子能級(jí)，有可能再次發(fā)生諧振隧穿，J—v曲線上會(huì)再次出現(xiàn)電流的峰值。這種典型的負(fù)微分電阻效應(yīng)．是電子垂直于雙勢(shì)壘層作一維運(yùn)動(dòng)時(shí)所必然出現(xiàn)的結(jié)果。負(fù)微分電導(dǎo)現(xiàn)象向人們展示了諧振隧穿二極管在毫米波和亞毫米波領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。諧振隧穿三級(jí)管中的電子輸運(yùn)如同普通晶體管一樣，諧振隧穿三級(jí)管也是一種具有電流和電壓放大作用和功率增益的高速邏輯器件，諧振隧穿NPN雙極型三級(jí)管是一種典型的諧振隧穿器件．其中基區(qū)為P型摻雜，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)為N型摻雜，基極和發(fā)射極間的電壓用于調(diào)節(jié)發(fā)射區(qū)中電子能量與量子阱中量于能級(jí)之差．以控制從發(fā)射區(qū)穿過(guò)雙勢(shì)壘流向收集區(qū)的電流。由于諧振隧穿三級(jí)管是彈道型輸運(yùn)器件．即電子隧穿勢(shì)壘的過(guò)程是彈道式的，運(yùn)動(dòng)電荷所具有的速度是電子的群速度．它比普通晶體管中電子的漂移速度要大得多．因而諧振瞪穿器件的響應(yīng)時(shí)間也要小得多。這種器件的電流增益已超過(guò)了60。另一種諧振隧穿器件是只有一種載流于的單極型諧振隧穿三級(jí)管。在這種結(jié)構(gòu)中、基區(qū)處于雙勢(shì)壘區(qū)外側(cè)，在基區(qū)與收集區(qū)之間有一個(gè)低勢(shì)壘層，三個(gè)區(qū)域都是N型材料，這種器件在液氮溫度下顯示了很高的峰谷比和高額特性。更為值得一提的是多重態(tài)三極瞥．采用這種結(jié)構(gòu)可以發(fā)展多種邏輯線路．從而使得電子線路大為簡(jiǎn)化，即用少數(shù)幾個(gè)器件就能代替較復(fù)雜的線路來(lái)完成某種功能，因而可以大大簡(jiǎn)化線路的復(fù)雜性，縮小電路尺寸，提高運(yùn)算速度。在這種瞪穿器件中，對(duì)應(yīng)于量子阱中的多個(gè)量子能級(jí)．在J—V待性曲線上將出現(xiàn)多個(gè)諧振峰。超品格器件中的電子輸運(yùn)超品格器件在結(jié)構(gòu)上的最主要待征則是，在電流傳播方向上具有由多個(gè)量子阱層和勢(shì)壘層構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)，隔開(kāi)各阱層的勢(shì)壘層很薄，具有較大的電子隧穿幾率，電子在沿垂直超品格平面的方向連續(xù)穿過(guò)多個(gè)周期勢(shì)壘運(yùn)動(dòng)。在超品格中．電子在單個(gè)量子阱中形成一定的量子能級(jí)．超品格內(nèi)相鄰量子阱中的量于能級(jí)通過(guò)它們之間的薄勢(shì)壘層有一較弱的耦合，因而每一量子能級(jí)擴(kuò)展成一個(gè)能帶。由于耦合很弱，形成的能帶較窄，稱作于能帶．設(shè)電子的能量為Eb．超品格周期為d，于能帶寬度為D．電場(chǎng)強(qiáng)度為E，當(dāng)電場(chǎng)時(shí)．平均漂移速度有極大值。當(dāng)E進(jìn)一步增大時(shí)，速度反而減?。撝惦妶?chǎng)。即使有散射存在，在超品格的J—v曲線中，最初電流隨電壓的增加而增大，當(dāng)電壓使得電場(chǎng)達(dá)到閾值時(shí)，電壓的進(jìn)一步增加反而使電流減?。霈F(xiàn)負(fù)的動(dòng)態(tài)電阻。隨著電壓不斷增大，還可能出現(xiàn)多個(gè)電流峰值和多個(gè)負(fù)阻區(qū)間。從理論上講，如果完全不存在散射，電子的運(yùn)動(dòng)無(wú)淪在速度空間或動(dòng)量空間都可能表現(xiàn)出振蕩行為。這一現(xiàn)象稱為布洛赫振蕩，對(duì)應(yīng)于布洛赫振蕩的電子輸運(yùn)過(guò)程也是一種負(fù)微分電導(dǎo)現(xiàn)象。在超品格器件中還存在著另一種負(fù)微分電導(dǎo)機(jī)制，即擴(kuò)展態(tài)——局域態(tài)轉(zhuǎn)變．它所描述的物理意義是，在沿著其周期方向足夠強(qiáng)的外電場(chǎng)中，超品格在一個(gè)周期上的電位差將大于于能帶寬度．此時(shí)相鄰量子阱中的量子能級(jí)彼此錯(cuò)開(kāi)．一個(gè)量子阱中量子能級(jí)的能量處于相鄰量子阱的能隙中，電子在各量子阱中的量子能級(jí)變成高度為Eed的wannier—Stark階梯。在這種情況下，相鄰量子阱的量子能級(jí)狀態(tài)之間的耦合很弱，電子波函數(shù)變得定域化了，電子隧穿過(guò)勢(shì)壘的幾率很小，因而超晶格的電導(dǎo)變得很?。划?dāng)沿著超晶格方向所加的電場(chǎng)由小變大時(shí)．由于電子的狀態(tài)由擴(kuò)展態(tài)轉(zhuǎn)變成定域態(tài)，使電導(dǎo)由大變小，即出現(xiàn)負(fù)的微分電導(dǎo)。

你眼中的天體物理學(xué)

介觀物理學(xué)是研究介于納米和微米尺度之間結(jié)構(gòu)的物理學(xué)?？茖W(xué)家在這個(gè)尺度范圍內(nèi)進(jìn)行了激動(dòng)人心的研究，設(shè)計(jì)出了亞微觀電子器件和亞微觀機(jī)械器件。制造如此微小的電子元件需要量子力學(xué)知識(shí)，所以這些研究一般橫跨物理學(xué)和工程兩大領(lǐng)域。這些研究未來(lái)可用于制造隨著血液來(lái)清除動(dòng)脈阻塞的機(jī)器人“醫(yī)生”、亞微觀驅(qū)動(dòng)器、亞微觀建筑工人和可置于針尖的超級(jí)計(jì)算機(jī)。工作在這個(gè)領(lǐng)域的物理學(xué)家、工程師和化學(xué)家正在為我們規(guī)劃和制造著未來(lái)的精彩世界。