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蔣建飛著 著

圖書標籤:

• 單電子效應
• 單電子器件
• 量子點
• 納米電子學
• 電子輸運
• 庫侖阻塞
• 隧道效應
• 半導體物理
• 低溫物理
• 物理學

店鋪： 欣欣佳和圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030198822

商品編碼：29246039340

包裝：平裝

齣版時間：2007-09-01

基本信息

書名：單電子學

定價：80.00元

作者：蔣建飛著

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2007-09-01

ISBN：9787030198822

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版次：1

裝幀：平裝

開本：

商品重量：0.763kg

編輯推薦

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內容提要

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單電子學是納電子學重要的分支之一，它是有可能部分替代發展至時的納米MOS電子學的重要候選者之一。
本書係統地論述瞭以半經典理論為基礎的單電子器件物理，包括網絡分析理論、正統理論和超正統理論；傳統概念下單電子電路的原理以及非傳統概念單電子電路的研究；單電子係統的模擬方法，包括單電子器件和電路濛特卡羅模擬法，單電子器件和電路主方程模擬法，單電子器件和電路與集成電路通用模擬程序(SPICE)兼容模擬法。本書是一部有明確的學術觀點、理論體係及很強應用背景的學術著作。
本書可以作為納米科學技術和相關學科的科學傢、工程師、教師的參考書，也可供電子科學技術一級學科和交叉學科(計算機學、物理學、化學、生物學、材料學等)從事納米科學技術學習和研究的高年級本科生、碩士研究生、博士研究生參考閱讀。

目錄

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前言
基本符號錶
章 緒論
　1.1 引言
　1.2 單電子器件物理
　1.3 單電子電路原理
　1.4 單電子器件和電路模擬器
　參考文獻
第二章 單電子器件的網絡理論和靜電學
　2.1 單電子器件的網絡理論
　　2.1.1 等效電源定理
　　2.1.2 單電子隧道結的網絡模型
　　2.1.3 柵控一維單電子隧道結陣列的網絡模型
　　2.1.4 單電子箱的網絡模型
　　2.1.5 電容耦閤單電子晶體管的網絡模型
　　2.1.6 等效電流源模型
　2.2 單電子係統靜電學
　　2.2.1 靜電勢的多極展開
　　2.2.2 靜電能
　　2.2.3 球形庫侖島
　　2.2.4 超薄圓盤庫侖島
　　2.2.5 環形納米綫庫侖島
　　2.2.6 納米綫庫侖島
　　2.2.7 橢球庫侖島
　　2.2.8 碳納米管庫侖島
　　2.2.9 單電子係統的自由能
　2.3 電容耦閤單電子晶體管極限性能的估計
　參考文獻
第三章 金屬基單電子器件的半經典理論
　3.1 金屬基單電子隧道結的半經典理論
　　3.1.1 費米黃金定律
　　3.1.2 隧穿率
　3.2 單電子隧道結的主方程：半經典動力學推導法
　3.3 單電子隧道結的主方程：密度算符推導法
　　3.3.1 密度算符及其運動方程
　　3.3.2 單電子隧道結主方程的密度算符推導法
　　3.3.3 庫侖阻塞和庫侖振蕩的主方程解釋
　3.4 單電子晶體管的正統理論
　　3.4.1 電容耦閤單電子晶體管
　　3.4.2 電阻耦閤單電子晶體管
　　3.4.3 電阻和電容串聯耦閤單電子晶體管
　3.5 一維單電子隧道結陣列的電荷孤子和反孤子輸運
　　3.5.1 單電子電荷孤子和反孤子
　　3.5.2 一維單電子隧道結陣列作為電阻耦閤單電子晶體管的柵電阻
　參考文獻
第四章 金屬基單電子器件的電磁環境效應
　4.1 經典電荷弛豫
　4.2 LC迴路的量子原理
　4.3 考慮電磁環境效應的單電子隧道結的係統哈密頓
　　4.3.1 電磁環境哈密頓
　　4.3.2 隧道哈密頓
　　4.3.3 準粒子哈密頓
　　4.3.4 係統哈密頓
　4.4 考慮電磁環境效應的單電子隧道結的隧穿率
　　4.4.1 微擾理論
　　4.4.2 探究電磁環境態
　　4.4.3 相位一相位相關函數
　　4.4.4 隧穿率公式
　　4.4.5 相位一相位相關函數和環境阻抗
　　4.4.6 能量交換概率P(E)的一般性質
　　4.4.7 電流一電壓特性的一般性質
　　4.4.8 低阻抗電磁環境
　　4.4.9 高阻抗電磁環境
　4.5 單電子隧道結電磁環境效應的實例
　　4.5.1 以集中電感作為電磁環境：集中L模型
　　4.5.2 以集中電阻作為電磁環境：集中R模型
　　4.5.3 以集中電感和電阻相串聯作為電磁環境：集中LR模型
　　4.5.4 以分布電感、電阻和電容傳輸綫作為電磁環境：分布Lo RoCo傳輸綫模型
　　4.5.5 以分布電感和電容傳輸綫作為電磁環境：分布LoCo傳輸綫模型
　　4.5.6 以分布電阻和電容傳輸綫作為電磁環境：分布RoCo傳輸綫模型
　4.6 考慮電磁環境效應的單電子晶體管的隧穿率
　　4.6.1 隧穿率
　　4.6.2 低阻抗電磁環境
　　4.6.3 高阻抗電磁環境
　4.7 考慮電磁環境效應的多結係統的隧穿率
　參考文獻
第五章 金屬基單電子器件的共隧道效應
　5.1 彈性和非彈性共隧道效應
　5.2 單電子晶體管共隧道的半經典理論
　5.3 一維單電子隧道結陣列的共隧道半經典理論
　　5.3.1 隧穿率
　　5.3.2 O近似
　　5.3.3 =一△F／2 n”的近似
　5.4 無柵電荷偏置的1DSETJA的電流一電壓特性分析
　5.5 柵電荷偏置的1DsETJA的簡化網絡分析模型
　5.6 單電子電荷泵的精度分析
　　5.6.1 優化偏置
　　5.6.2 單個隧道結的單電子隧穿
　　5.6.3 初態的衰減
　　5.6.4 共隧道隧穿率
　　5.6.5 泄漏和轉換誤差
　　5.6.6 共隧道誤差
　　5.6.7 熱誤差
　　5.6.8 頻率誤差
　　5.6.9 誤差的近似估算
　參考文獻
第六章 金屬基單電子器件的噪聲
　6.1 一般經典噪聲機製
　　6.1.1 散粒噪聲
　　6.1.2 熱噪聲
　　6.1.3 閃爍噪聲(1 ／f噪聲)
　6.2 單電子晶體管的熱噪聲和散粒噪聲
　　6.2.1 經典噪聲的一般公式
　　6.2.2 主方程的頻域解
　　6.2.3 譜密度的矩陣形式
　　6.2.4 低頻噪聲
　　6.2.5 直流噪聲
　　6.2.6 超靈敏度單電子靜電計的噪聲
　6.3 一維單電子隧道結陣列中的散粒噪聲
　　6.3.1 電荷傳輸的離散性
　　6.3.2 譜密度的計算
　　6.3.3 接地1 I).SETJA散粒噪聲
　　6.3.4 不接地1 I).SETJA散粒噪聲
　　6.3.5 考慮背景電荷時1 D-SETJA的散粒噪聲
　參考文獻
第七章 介觀超導隧道結理論
　7.1 二次量子隧道效應
　7.2 q的量子Langevin方程
　7.3 布洛赫波振蕩和電流一電壓特性
　7.4 漲落效應
　7.5 密度矩陣分析法
　7.6 單電子現象和磁通量子化之間的對偶性
　　7.6.1 對偶性的法則
　　7.6.2 經典器件和電路的對偶性
　　7.6.3 介觀器件和電路的對偶性
　參考文獻
第八章 半導體基和人造原子單電子器件理論
　8.1 半導體人造原子中的單電子效應
　8.2 綫性響應理論
　　8.2.1 基本關係式
　　8.2.2 綫性響應
　　8.2.3 電導公式的極限形式
　　8.2.4 非彈性散射效應
　　8.2.5 對庫侖陽塞振蕩效應的應用
　8.3 非綫性響應理論
　　8.3.1 模型和基本方程
　　8.3.2 大麵積量子阱
　　8.3.3 小麵積量子阱
　參考文獻
第九章 納機電單電子器件理論
　9.1 實驗型納機電單電子晶體管
　9.2 穿梭輸運的類型
　9.3 粒子的經典穿梭模型
　　9.3.1 本徵模型
　　9.3.2 電荷傳輸的穿梭機製
　　9.3.3 耗散係統的模型
　　9.3.4 隧穿區和穿梭區
　　9.3.5 非理想模型
　　9.3.6 柵控納機電單電子晶體管
　　9.3.7 範德瓦耳斯力的作用
　　9.3.8 三維本徵模型
　9.4 電子波的經典穿梭模型
　9.5 粒子的量子穿梭模型
　參考文獻
第十章 單電子電路原理
　10.1 單電子模擬電路
　　10.1.1 單電子數／模轉換器
　　10.1.2 單電子模／數轉換器
　10.2 單電子邏輯電路
　　10.2.1 電壓態單電子邏輯
　　10.2.2 電荷態單電子邏輯
　　10.2.3 單電子和cMOS混閤邏輯電路
　10.3 單電子存儲器
　　10.3.1 單電子陷阱存儲器原理
　　10.3.2 單電子存儲器的讀齣單元
　　10.3.3 多晶矽Mos管浮點單電子存儲器
　參考文獻
第十一章 單電子器件和電路模擬器
　11.1 模擬器類型和層次結構
　11.2 濛特卡羅模擬法
　　11.2.1 理論原理
　　11.2.2 算法流程圖
　　11.2.3 模擬器應用實例
　11.3 主方程模擬器
　　11.3.1 主方程模擬器的構建原理
　　11.3.2 模擬器的應用實例
　　11.3.3 主方程模擬器簡介
　11.4 SETHSPICE模擬器
　　11.4.1 SET-SPICE模擬器簡介
　　11.4.2 C-SET穩態主方程模型
　　11.4.3 C-SET精簡穩態主方程模型
　　11.4.4 C-SET宏模型
　　11.4.5 GSET模型的SPICE實現
　　11.4.6 模擬器應用實例
　11.5 納機電單電子器件和電路模擬
　　11.5.1 經典牛頓方程的數值模擬
　　11.5.2 主方程模擬法
　　11.5.3 濛特卡羅模擬法
　　11.5.4 NEM-SET單元電路設計例
　參考文獻

作者介紹

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文摘

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序言

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《單電子學》一書，顧名思義，聚焦於電子這一微觀粒子最為基本、最為純粹的運動形態——單電子的操控、測量與應用。它並非一本泛泛而談的量子力學教科書，也不是對所有電子學器件進行概念的羅列，而是將目光精準地投射到對單個電子的精確調控這一前沿領域。這本書的價值在於，它係統地梳理瞭單電子學從理論構想到實驗實現的整個發展脈絡，深入剖析瞭實現單電子操控所麵臨的核心挑戰，並展望瞭其在未來科技發展中所扮演的關鍵角色。 全書的寫作視角十分獨特，它將單電子學視為一個獨立而蓬勃發展的學科分支，而非僅僅是其他學科的延伸。作者以一種嚴謹且富有洞察力的方式，為讀者構建瞭一個清晰的知識體係。首先，書中會從最基礎的物理原理齣發，迴顧量子力學中關於電子的本性，例如波粒二象性、量子隧穿效應等。但與傳統的量子力學著作不同的是，這裏的討論並非為瞭建立宏觀的物理模型，而是為瞭理解如何利用這些基本原理來實現對微觀粒子——即單個電子——的精細控製。例如，書中會詳細探討如何利用庫侖勢阱、量子點、單電子晶體管等結構，將單個電子“囚禁”在特定的區域，並對其進行精確的定位。這部分內容的深入性體現在，它不僅僅停留在概念的介紹，而是會深入到不同囚禁機製的物理機製、能級結構以及可能存在的退相乾效應等細節，為讀者理解實際器件的設計提供理論基礎。 接下來，本書的核心內容將圍繞“單電子的操控”展開。這部分可以說是全書的靈魂所在。作者會詳細闡述實現單電子傳輸的技術手段。例如，通過電場或磁場對電子進行加速、減速、偏轉，甚至是“搬運”。書中會詳細介紹利用量子點串聯、介電柵極控製、單電子泵等不同機製實現電子的定嚮注入和傳輸。這裏的“精確”是關鍵，本書會用大量的篇幅去探討如何達到“一人一票”式的電子傳輸，即每次操作隻精確地轉移一個電子。這涉及到對電子之間庫侖相互作用的抑製、對量子噪聲的過濾以及對瞬態電流的精確測量等復雜問題。讀者將瞭解到，如何通過優化器件結構、改進控製信號的波形、采用低噪聲的讀齣電路等方法，來剋服這些挑戰。 “單電子測量”是本書的另一個重要組成部分。在實現單電子操控之後，如何準確地“看見”並“量化”每一個電子的齣現和消失，是驗證技術可行性的關鍵。本書會詳細介紹多種先進的單電子探測技術。例如，電容耦閤探測、場效應晶體管探測、量子點旁觀者探測等。作者會深入分析不同探測技術的原理、靈敏度、響應時間以及它們在不同實驗場景下的適用性。更重要的是，本書會探討如何設計高效的讀齣電路，將微弱的單電子信號放大並轉化為可識彆的數據。這部分內容的深度體現在，它會詳細講解如何處理測量過程中不可避免的噪聲，如何利用統計平均和信號處理技術來提取有效的單電子信息。對於那些希望進行實際實驗的研究者來說，這部分內容具有極高的參考價值。 除瞭理論闡述和技術細節，本書還會花費相當篇幅來探討單電子學在各個領域的潛在應用。這部分內容將極大地拓寬讀者的視野，讓他們認識到單電子學並非僅僅是一個理論研究方嚮，而是具有巨大實際價值的未來科技基石。 在量子計算領域，單電子的操控被視為實現量子比特（qubit）最基礎也是最可靠的途徑之一。本書會詳細闡述如何利用單個電子的自鏇或電荷狀態作為量子比特的載體，以及如何通過單電子的操作實現量子門的構建。例如，利用單電子晶體管來實現對量子比特的精確讀齣和邏輯操作，以及如何通過多個單電子比特之間的耦閤來實現多比特量子糾纏。書中會深入探討不同量子比特架構在實現單電子操控方麵的優劣，以及如何剋服量子比特的退相乾問題。 在量子通信方麵，單電子源可以被看作是産生單光子脈衝的理想光源。本書會探討如何利用單電子的躍遷過程産生單光子，以及如何將這些單光子脈衝用於量子密鑰分發（QKD）等通信協議。書中會分析單電子源在産生高質量單光子方麵的優勢，以及如何將其集成到實際的通信係統中。 在精密測量領域，單電子學提供瞭前所未有的靈敏度和分辨率。本書會介紹如何利用單電子探測器來實現對微弱電荷、微小磁場甚至單個分子的探測。例如，在生物醫學領域，單電子傳感器可以用於檢測極低濃度的生物標誌物，為疾病的早期診斷提供新的手段。在材料科學領域，單電子顯微鏡可以實現原子尺度的成像和錶徵。 此外，本書還將觸及新型電子器件的構想。例如，單電子存儲器，其存儲信息的最小單元是單個電子，具有極高的存儲密度和能效。還有單電子邏輯電路，其運行速度和功耗都將超越現有傳統電子器件。書中會詳細分析這些新型器件的設計理念、工作原理以及實現它們所麵臨的技術瓶頸。 在寫作風格上，本書力求嚴謹又不失可讀性。它並非冰冷的公式堆砌，而是通過深入淺齣的講解，將復雜的物理概念和工程難題形象化。作者會引用大量的最新研究成果和實驗數據，來佐證其理論推導和技術分析。同時，書中也會穿插一些關於單電子學發展曆程的介紹，以及對未來發展趨勢的展望，使得內容既有深度又不乏趣味性。 本書的讀者群體將涵蓋物理學、電子工程、材料科學等相關領域的科研人員、研究生以及對前沿科技充滿興趣的工程師和技術愛好者。對於初學者而言，書中清晰的邏輯和循序漸進的講解能夠幫助他們快速掌握單電子學的基本概念；對於資深研究者而言，書中深入的技術細節和前沿的應用探討，則能為他們的研究提供新的思路和啓發。 總而言之，《單電子學》是一部內容詳實、視角獨特、具有前瞻性的專業著作。它係統地梳理瞭單電子學這一新興領域的理論基礎、技術實現、測量方法以及廣闊的應用前景，為讀者打開瞭一扇通往微觀世界精密操控的大門，必將對相關學科的發展産生深遠的影響。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，《單電子學》這本書的封麵和標題並沒有立刻吸引我，我通常會優先選擇那些標題更具吸引力或封麵設計更酷炫的書籍。但鬼使神差地，我還是翻開瞭它。沒想到，這一翻，就徹底被它迷住瞭。作者在書中以一種非常“接地氣”的方式，開始講述“單電子”的故事。他不是直接拋齣晦澀難懂的定義，而是從一個非常微觀的視角齣發，讓我們仿佛能看到每一個單獨的電子是如何“存在”的。我特彆喜歡他對“量子態”的描述，他沒有直接用那些拗口的術語，而是通過一係列生動的場景，比如一個電子同時存在於兩個地方的“鬼魅”般的景象，來展現量子世界的奇特之處。書中關於“量子退相乾”的解釋也讓我豁然開朗，作者用“記憶丟失”的比喻，形象地解釋瞭為什麼宏觀世界裏的量子效應如此難以觀察到。我最深刻的印象是，作者在書中詳細介紹瞭“單電子晶體管”的發展曆程和工作原理。這個概念聽起來非常高深，但作者卻將其拆解成一個個易於理解的步驟，讓我能夠清晰地看到科學傢們是如何一步步攻剋技術難關，實現對單個電子的精確控製。這本書的寫作風格非常個人化，作者仿佛在和我麵對麵交流，分享他對量子世界的理解和感悟。字裏行間充滿瞭智慧的光芒，也充滿瞭對科學探索的敬畏之心。讀完之後，我感覺自己對世界的認知又上瞭一個新的颱階。

評分☆☆☆☆☆

當我拿到《單電子學》這本書時，並沒有抱太大的期望。市麵上充斥著各種冠冕堂皇的科學著作，內容空洞，難以消化。然而，這本書卻意外地給瞭我驚喜。作者以一種非常獨特的方式，將“單電子”這個看似遙遠的概念拉近到瞭我的身邊。他沒有直接進行枯燥的理論講解，而是從一些我們日常生活中能夠觀察到的現象齣發，循序漸進地引導讀者進入量子世界的奇妙殿堂。我尤其欣賞作者在書中對於“疊加態”和“波粒二象性”的闡述，他用生動的比喻，將電子在不同狀態之間的轉換和其既像粒子又像波的特性解釋得淋灕盡緻，讓我這個物理門外漢也能輕鬆理解。書中關於“量子隧穿效應”的描寫更是讓我驚嘆不已，作者通過一個形象的“翻山越嶺”的比喻，生動地展現瞭電子如何能夠“穿過”一道原本無法逾越的能量壁壘，這簡直顛覆瞭我對經典物理世界的認知。後續的章節裏，作者還詳細介紹瞭當前量子計算領域的一些熱門概念，比如量子糾纏、量子門等，並對它們進行瞭深入淺齣的解析。這些內容在許多其他科普讀物中往往隻是一筆帶過，但在《單電子學》中，作者卻花費瞭大量的筆墨，力求讓讀者能夠真正理解其背後的原理和意義。這本書的行文流暢，邏輯清晰，充滿瞭作者對科學的熱情和對讀者的關懷，讓我仿佛置身於一場知識的盛宴之中，每一次閱讀都受益匪淺。

評分☆☆☆☆☆

說實話，讀《單電子學》之前，我對“單電子”這個詞匯的認知僅限於“組成物質的微小粒子”這個模糊的概念。這本書的齣現，徹底刷新瞭我對它的認知。作者以一種近乎詩意的筆觸，描繪瞭一個前所未有的微觀世界，在那裏，電子不再是機械的、可預測的，而是充滿瞭奇幻色彩和不確定性。書中的每一個章節都像是一扇窗戶，讓我窺視到量子世界的獨特魅力。特彆是關於“電子自鏇”的部分，作者通過一係列巧妙的類比，將這個抽象的量子屬性具象化，讓我能夠理解電子是如何像一個小小的陀螺一樣，擁有自己的“鏇轉方嚮”。我最震撼的是，作者在書中探討瞭如何“操控”單個電子。這聽起來像是科幻小說裏的情節，但《單電子學》卻用嚴謹的科學理論和實驗證據，嚮我證明瞭這一切並非不可能。他詳細介紹瞭目前科學傢們在量子操控領域取得的突破，比如如何利用電場、磁場或者激光來精確地控製單個電子的運動軌跡和能量狀態。這讓我不禁聯想到未來的科技發展，也許有一天，我們真的能夠利用這些單個電子來構建全新的計算設備，解決目前人類麵臨的許多難題。這本書的語言風格非常獨特，既有科學的嚴謹，又不乏哲學思辨的深度，讀起來讓人欲罷不能。它不僅僅是一本關於物理學的書，更像是一本關於探索未知、挑戰極限的啓示錄。

評分☆☆☆☆☆

初次翻開《單電子學》這本書，我的期待值其實並不高。市麵上關於量子物理的書籍汗牛充棟，大多數要麼是高屋建瓴，理論推導讓人望而卻步；要麼是淺嘗輒止，講些概念卻缺乏深度。我抱著“或許能找到點新意”的心態，沒想到這本書帶給我的驚喜遠超預期。從第一頁開始，作者就用一種非常直觀且易於理解的方式，將“單電子”這個抽象的概念一點點剝開，就像剝洋蔥一樣，層層遞進。他沒有上來就拋齣復雜的數學公式，而是從一些我們日常生活中能夠聯想到的現象入手，比如光的粒子性，然後自然而然地引齣瞭電子的量子特性。我特彆喜歡作者對於“測量”這個概念的解讀，他沒有用生硬的物理語言，而是通過一些生動的比喻，比如“偷窺”粒子的行為，讓我這個非專業人士也能深刻體會到量子世界裏測量對粒子狀態的不可避免的擾動。後續的章節裏，他更是花瞭大量篇幅介紹瞭一些前沿的實驗技術，比如量子點、量子比特等，這些內容在其他科普讀物中往往一帶而過，但在《單電子學》中，作者卻詳細地解析瞭它們的原理、構建方式以及潛在的應用。我尤其對書中關於“量子糾纏”的描述印象深刻，作者巧妙地利用瞭“孿生兄弟”的比喻，形象地展示瞭兩個粒子之間即使相隔遙遠，信息也能瞬間傳遞的奇妙現象。整本書讀下來，感覺像是跟著一位經驗豐富的嚮導，在神秘的量子大陸進行瞭一次酣暢淋灕的探索，既滿足瞭我的好奇心，又在不知不覺中提升瞭我的科學素養。

評分☆☆☆☆☆

在眾多的量子力學科普讀物中，《單電子學》這本書脫穎而齣，給我留下瞭深刻的印象。作者以一種非常獨特且引人入勝的方式，將“單電子”這一復雜而迷人的概念呈現給瞭讀者。他並沒有一開始就堆砌大量的專業術語和公式，而是從一些更貼近我們生活，或者說是更為基礎的物理現象齣發，一點點地揭示量子世界的奧秘。我尤其贊賞作者在書中對於“量子比特”的介紹，他沒有簡單地停留在概念層麵，而是深入地探討瞭其作為量子計算核心單元的可能性，以及目前在實現過程中所麵臨的挑戰。書中關於“量子糾纏”的章節，作者更是用瞭一種非常巧妙的比喻，將兩個看似獨立的粒子之間的奇特關聯解釋得清晰明瞭，讓我這個對物理學瞭解不深的人也能産生強烈的共鳴。我個人最受啓發的是，作者在書中還展望瞭單電子學在未來可能帶來的顛覆性技術，比如更高效的傳感器、更安全的通信方式，甚至是以單電子為基礎的新型計算架構。這些內容不僅僅是理論的探討，更讓我看到瞭科學研究的強大生命力和無限可能性。這本書的語言風格既有科學的嚴謹，又不失文學的色彩，讀起來沒有任何枯燥感，反而充滿瞭求知的樂趣。它不僅拓寬瞭我的知識視野，更激發瞭我對科學探索的熱情。