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介观物理简介0610228 0610228 李伟武李伟武 物理学物理学0610240 0610240 刘悦刘悦 材料物理材料物理0610248 0610248 潘航潘航 材料物理材料物理1微观体系微观体系（（microscopicmicroscopic））经典牛顿力学可以处理大经典牛顿力学可以处理大部分微观和宏观体系部分微观和宏观体系量子力学是研究微观粒子量子力学是研究微观粒子运动规律的基本方法，原运动规律的基本方法，原则上可以对任何体系的薛则上可以对任何体系的薛定谔方程进行严格或近似定谔方程进行严格或近似求解求解波函数的相位起着重要作波函数的相位起着重要作用用1642.12.25-1727.3.20 1885.10.07-1962.11.18 2宏观体系宏观体系(macroscopic)(macroscopic)1.1.所研究的对象在数量上在所研究的对象在数量上在1mol1mol量级量级2.2.其研究方法为应用统计力学和宏观电磁学，其研究方法为应用统计力学和宏观电磁学，考虑大量粒子的平均性质考虑大量粒子的平均性质3.3.由于统计平均的作用，除了少数如超导，由于统计平均的作用，除了少数如超导，超流等宏观量子现象外，微观粒子的波函数超流等宏观量子现象外，微观粒子的波函数的位相被掩盖而显示不出来的位相被掩盖而显示不出来（（Self-averagingSelf-averaging）3介观物理介观物理介观物理是凝聚态物理中的一门新兴学科，介观物理是凝聚态物理中的一门新兴学科，““介观（介观（mesoscopicmesoscopic））””这个这个词汇，是由词汇，是由Van KampenVan Kampen于于19811981年所创，指得是介乎于微观和宏观之间的尺年所创，指得是介乎于微观和宏观之间的尺度处于介观尺度的材料，一方面含有大量粒子，因而无法对薛定谔方程求度处于介观尺度的材料，一方面含有大量粒子，因而无法对薛定谔方程求解；另一方面，其粒子数又没有多到可以忽略统计涨落的程度。

这种涨落解；另一方面，其粒子数又没有多到可以忽略统计涨落的程度这种涨落称之为介观涨落介观系统的物理量仍然是大量微观粒子性质的统计平均称之为介观涨落介观系统的物理量仍然是大量微观粒子性质的统计平均, , 但粒子波函数相位的相干迭加并没有给统计平均掉但粒子波函数相位的相干迭加并没有给统计平均掉1.粒子保持相位相干性，系统的线度小于位相相干长度1.自平均（self-averaging）的消失，样品的个性（sample-specific characters）表现出来2.由于不满足热力学极限，不同的系综将不再等价4 两种散射两种散射电子在输运过程中的两种散射：弹性散射和非弹性散射电子在输运过程中的两种散射：弹性散射和非弹性散射非弹性散射：电子与声子的散射，是电子能量有所非弹性散射：电子与声子的散射，是电子能量有所改变，同时电子失去了相位的记忆改变，同时电子失去了相位的记忆弹性散射：电子和杂质的散射，不破坏电子对其波函数弹性散射：电子和杂质的散射，不破坏电子对其波函数相位的记忆，电子经过一次散射后相位改变，对于确定相位的记忆，电子经过一次散射后相位改变，对于确定的散射大小一定而且如散射路径相同，但先后顺序相，的散射大小一定。

而且如散射路径相同，但先后顺序相，位相改变相同位相改变相同一定一定5弱局域电性（弱局域电性（weak localizationweak localization）） 左图为电子从左图为电子从P P点到点到Q Q点的电子波传播，点的电子波传播，在传播路径上某任意点在传播路径上某任意点O O，可以分离出两，可以分离出两等幅等相位的电子波沿完全相反的路径等幅等相位的电子波沿完全相反的路径返回返回O O点，两条路径由于弹性散射会获得点，两条路径由于弹性散射会获得相同的相移，在汇合处相同的相移，在汇合处O O点电子几率密度点电子几率密度为：为：若发生非弹性散射则相干项若发生非弹性散射则相干项 为零，几率密度为为零，几率密度为 这意味着电子更愿意呆这意味着电子更愿意呆在原来的位置上，可动性差，此即局域化名称由在原来的位置上，可动性差，此即局域化名称由来来从从P P点到点到Q Q点的电子路径示意图点的电子路径示意图6普适电导涨落普适电导涨落(universal condutance fluctuations)1.1.涨落是非周期的与时间无关涨落是非周期的与时间无关2.2.每种特定样品有其自身特有的涨落图谱每种特定样品有其自身特有的涨落图谱3.3.涨落的大小是量级为涨落的大小是量级为 的普适量的普适量物理机制：来源于介观金属中的量子干涉效应物理机制：来源于介观金属中的量子干涉效应即由于电子与杂质的散射引起的随机干涉效应即由于电子与杂质的散射引起的随机干涉效应　普适电导涨落普适电导涨落( (粗黑线是平均电导值粗黑线是平均电导值) )7Aharonov-Bhom (AB)效应如左下图所示，磁场如左下图所示，磁场B B垂直向上，由于金属屏蔽层包绕着螺线管，磁场垂直向上，由于金属屏蔽层包绕着螺线管，磁场““不能进入红色的环，进而无法影响里面电子的状态。

然而，电子依然不能进入红色的环，进而无法影响里面电子的状态然而，电子依然矢势通过调节螺线管的电流而改变矢势的强度，矢势通过调节螺线管的电流而改变矢势的强度，””感受感受ABAB环的电导会环的电导会呈现周期性变化呈现周期性变化　置于磁场下介观环的电导置于磁场下介观环的电导Aharonov - BohmAharonov - Bohm振荡振荡ABAB效应实验效应实验8库仑阻塞效应库仑阻塞效应（（Coulomb blockade effectCoulomb blockade effect））如果介观微粒的尺度足够小，以致于它和周围外界之间的电容如果介观微粒的尺度足够小，以致于它和周围外界之间的电容C C小到小到 的量级这时，如果靠隧穿过程使介观微粒上增加一个电子，其静电能的改变这时，如果靠隧穿过程使介观微粒上增加一个电子，其静电能的改变 可以远可以远大于低温下的热运动能量大于低温下的热运动能量 , ,使隧穿过程实际上不能发生，这就是库仑阻塞效应使隧穿过程实际上不能发生，这就是库仑阻塞效应量子点在生物学中的应用量子点在生物学中的应用91.1.一方面由于介观体系可以作为理解宏观物体性质一方面由于介观体系可以作为理解宏观物体性质的一个中介途径的一个中介途径2.2.另一方面另一方面, , 其本身表现出的一些特殊现象其本身表现出的一些特殊现象, , 有助有助于对量子力学和统计物理学的一些基本原理进行理于对量子力学和统计物理学的一些基本原理进行理论上的澄清和实验上的检验论上的澄清和实验上的检验3.803.80年代以来年代以来, , 对介观系统的研究不仅逐步成为凝对介观系统的研究不仅逐步成为凝聚态物理学的一个新领域聚态物理学的一个新领域, , 而且由于实验技术的进而且由于实验技术的进步步, , 以及电子器件向小型化发展趋势的需求以及电子器件向小型化发展趋势的需求, , 介观介观系统也成为材料科学工作者研究的热门课题系统也成为材料科学工作者研究的热门课题展望展望10参考文献参考文献[1] [1] 周义昌，李华钟周义昌，李华钟 介观尺度上的物理，物理学进展，介观尺度上的物理，物理学进展，19931993（（0303））[2] [2] 阎守胜，介观体系的物理，物理阎守胜，介观体系的物理，物理[3] [3] 林宗涵，介观系统林宗涵，介观系统------研究物理效应的研究物理效应的““人造实验室人造实验室””[4] [4] 马中水，介观物理基础和近期发展几个方面的简单介绍，物理双月刊，马中水，介观物理基础和近期发展几个方面的简单介绍，物理双月刊，20062006（（0505））[5] [5] 吴德馨，王守武，微小世界吴德馨，王守武，微小世界————深亚米微结构器件和介观物理，湖南科学技术出版深亚米微结构器件和介观物理，湖南科学技术出版社，社，19981998图片来源图片来源Google Google 图片搜索关键词：图片搜索关键词： 牛顿，玻尔，麦克斯韦，玻尔兹牛顿，玻尔，麦克斯韦，玻尔兹曼，量子点，曼，量子点，ABAB效应，原子，太阳系，玻尔兹曼分布效应，原子，太阳系，玻尔兹曼分布其它图片来自参考文献其它图片来自参考文献11。