单电子学 9787030198822 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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蒋建飞 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030198822

商品编码：29673040877

包装：平装

出版时间：2007-09-01

基本信息

书名:单电子学

定价：80.00元

售价：54.4元,便宜25.6元,折扣68

作者:蒋建飞

出版社：科学出版社

出版日期：2007-09-01

ISBN：9787030198822

字数：

页码：502

版次：1

装帧：平装

开本：

商品重量：0.763kg

编辑推荐

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内容提要

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单电子学是纳电子学重要的分支之一，它是有可能部分替代发展至时的纳米MOS电子学的重要候选者之一。
本书系统地论述了以半经典理论为基础的单电子器件物理，包括网络分析理论、正统理论和超正统理论；传统概念下单电子电路的原理以及非传统概念单电子电路的研究；单电子系统的模拟方法，包括单电子器件和电路蒙特卡罗模拟法，单电子器件和电路主方程模拟法，单电子器件和电路与集成电路通用模拟程序（SPICE）兼容模拟法。本书是一部有明确的学术观点、理论体系及很强应用背景的学术著作。
本书可以作为纳米科学技术和相关学科的科学家、工程师、教师的参考书，也可供电子科学技术一级学科和交叉学科（计算机学、物理学、化学、生物学、材料学等）从事纳米科学技术学习和研究的高年级本科生、硕士研究生、博士研究生参考阅读。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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量子信息科学的前沿探索：单电子自旋量子比特与量子信息处理 在二十一世纪，信息科学正以前所未有的速度向前发展，而量子力学理论的深入理解和应用，为我们描绘了一个全新的信息处理范式——量子信息科学。在这个蓬勃发展的领域中，如何精确操控和利用微观粒子的量子特性，构建高效的量子计算和量子通信系统，成为科学家们孜孜以求的目标。而单电子自旋，因其固有的量子特性和易于操控的潜力，正日益成为构建量子信息处理单元——量子比特（qubit）——的理想候选者之一。 本书将深入探讨单电子自旋在量子信息科学中的核心作用，揭示其作为量子比特的独特优势，并系统梳理当前单电子自旋量子比特的理论基础、实验实现以及在量子信息处理方面的最新进展。我们希望通过本书，为读者勾勒出一幅宏伟的量子信息科学蓝图，并重点聚焦于单电子自旋这一关键技术节点，展现其在通往强大量子计算和安全量子通信道路上的重要价值。 第一部分：量子比特的基石——单电子自旋的量子特性 量子信息科学的核心在于量子比特，它与经典比特不同，能够同时处于0和1的叠加态，并能利用量子纠缠等奇特现象实现指数级的计算能力提升。在众多可能成为量子比特的物理系统中，电子自旋以其简单的二能级结构和良好的量子相干性，展现出巨大的吸引力。 电子作为基本粒子，拥有一个内禀的量子力学属性——自旋。自旋可以被理解为电子绕自身轴旋转的角动量，尽管这是一种高度简化的类比。在磁场作用下，电子的自旋会指向与磁场方向平行或反平行，从而产生两个离散的能级。我们可以将这两个能级分别定义为量子比特的“0”态和“1”态。例如，设想一个处于外加磁场中的电子，其自旋平行于磁场可以对应“0”态，反平行于磁场对应“1”态。 单电子自旋作为量子比特的优势在于其内在的简洁性和可塑性。它是一个基本自由度，不像一些宏观系统那样需要复杂的集成和精密的调控。更重要的是，电子的自旋具有非常高的量子相干性，这意味着它能够长时间地保持其量子叠加态，避免因环境干扰而退相干，这是实现稳定量子计算的关键。此外，通过巧妙的微纳加工技术，我们可以将单个电子囚禁在纳米结构中，实现对其自旋的精确操控。 本书将首先详细介绍电子自旋的量子力学描述，包括其角动量算符、泡利矩阵以及在外部磁场中的行为。我们将深入解析斯塔克效应和塞曼效应对于能级的影响，并阐述如何利用这些效应来定义和区分量子比特的“0”态和“1”态。此外，我们还将讨论自旋的量子纠缠现象，这是实现量子并行计算和量子通信安全性的基石，并为后续章节的实验实现和应用打下坚实的理论基础。 第二部分：囚禁与操控——单电子自旋量子比特的实验实现 理论上的构想需要转化为实际可用的物理系统。将单个电子自旋有效地囚禁起来，并实现对其状态的精确读出和操控，是单电子自旋量子比特走向实际应用的关键挑战。多年来，科学家们在这一领域取得了突破性的进展，涌现出多种具有潜力的实验平台。 量子点（Quantum Dots）： 量子点是半导体材料中尺寸在纳米量级的微小区域，其内部的电子运动受到尺寸效应的限制，具有类原子能级结构。通过巧妙的电极设计，我们可以利用静电势垒将单个电子“捕获”在量子点中。一旦电子被囚禁，其自旋就可以被用作量子比特。通过外部微波脉冲，我们可以精确地翻转电子自旋的状态，实现量子比特的初始化、操作和测量。本书将详细介绍不同类型的量子点（如硅量子点、砷化镓量子点等），以及其在电子囚禁和自旋操控方面的优缺点。我们将深入解析量子点中电子的能级结构、自旋-轨道耦合以及如何利用外部电场和磁场实现自旋态的操控。 单原子系综（Single Atomic Sites）或单分子（Single Molecules）： 另一种实现单电子自旋量子比特的途径是利用单个具有磁性原子的系统，例如稀土离子掺杂的固体材料，或者特定的有机分子。这些系统通常具有天然存在的、高度局域化的电子自旋。通过光学激发和探测技术，我们可以实现对这些单原子或单分子的自旋态的操控和读出。本书将介绍如何利用荧光探测、磁共振技术等手段来探测和控制单原子或单分子的自旋状态，并讨论其与量子点等体系的异同。 超导电路中的单电子自旋： 近年来，与超导量子比特的结合也成为研究的热点。在超导电路中，可以通过耦合一个微小的磁性原子或者将电子囚禁在超导材料的纳米结构中，从而实现单电子自旋的操控。这种方法有望将单电子自旋的优点与超导量子比特的强大纠缠能力结合起来，实现更强大的量子计算能力。本书将探讨如何将单电子自旋与超导电路进行集成，以及如何利用超导电路的优势来提升单电子自旋量子比特的性能。 除了上述主要的实现平台，本书还将介绍其他潜在的单电子自旋量子比特载体，如金刚石中的氮-空位（NV）色心，其电子自旋可以作为高效的量子比特，并在室温下具有良好的相干性。 在实验实现方面，我们将重点关注以下几个关键技术： 单电子囚禁技术： 如何利用微纳加工技术构建能够精确囚禁单个电子的纳米结构，例如通过制备高品质的量子器件，实现对电子的有效绝缘和隔离。 自旋初始化： 如何将电子自旋稳定地准备到特定的初始状态（例如“0”态），为后续的量子操作奠定基础。 自旋操控技术： 如何利用精确调控的微波脉冲、激光脉冲或者电磁场来实现对电子自旋的各种单比特量子门操作，如X门（翻转）和H门（叠加）。 自旋读出技术： 如何高效、无损地测量电子自旋的状态，区分“0”态和“1”态。这通常涉及到利用电子自旋与某些探测信号（如荧光、电荷）的耦合。 量子相干性维持： 如何在实验上最大程度地减小环境噪声对电子自旋的影响，延长其量子相干时间，从而实现更复杂的量子算法。 第三部分：量子信息处理的应用前景——单电子自旋在未来技术中的角色 单电子自旋量子比特的优越特性，使其在构建强大的量子信息处理系统方面具有巨大的潜力。本书的第三部分将聚焦于单电子自旋量子比特在量子计算、量子通信和量子传感等领域的应用前景。 量子计算： 量子计算机有望在解决经典计算机难以应对的复杂问题方面展现出指数级的优势，例如药物研发、材料设计、密码破解以及优化问题等。构建容错量子计算机需要数以百万计的稳定量子比特，而单电子自旋作为一种潜在的、可扩展的量子比特载体，为实现这一目标提供了可能。 量子算法的实现： 本书将概述一些重要的量子算法，如Shor算法（用于因子分解）和Grover算法（用于搜索），并讨论如何利用单电子自旋量子比特来构建实现这些算法的基本模块。 量子比特的扩展性： 探讨如何将大量的单电子自旋量子比特集成在一起，形成大规模的量子处理器。这涉及到多量子比特的连接、控制以及量子纠错码的设计。 与现有技术的结合： 讨论如何将单电子自旋量子比特与超导量子比特、离子阱量子比特等其他量子比特平台进行混合集成，以发挥各自的优势，共同构建更强大的量子计算系统。 量子通信： 量子通信利用量子力学的原理，可以实现理论上无法被窃听的安全通信。 量子密钥分发（QKD）： 单电子自旋的量子态可以被编码成量子信息，并通过量子信道传输。即使信息被窃听者截获，由于量子测量的不可逆性，窃听行为也会被通信双方察觉。本书将介绍基于单电子自旋的QKD方案，并分析其在安全性和实现方面的挑战。 量子中继器： 在长距离量子通信中，信号衰减是主要障碍。量子中继器利用量子纠缠分发和量子纠错技术，可以克服这一限制，实现超越经典通信范围的量子信息传输。单电子自旋在构建高效率的量子中继器方面具有重要作用。 量子传感： 量子传感利用量子系统的极高灵敏度，可以实现对物理量的超高精度测量。 磁场和电场探测： 单电子自旋对外部磁场和电场极为敏感，其能级会随着这些场的微小变化而改变。这使得单电子自旋成为一种潜在的高精度磁场和电场传感器，可用于生物成像、材料科学等领域。 温度和压力测量： 在特定的应用场景下，单电子自旋的性质也可以用来探测温度和压力等物理量。 挑战与展望： 尽管单电子自旋量子比特展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战，包括： 提高量子相干时间： 进一步提升电子自旋的量子相干时间，是实现更复杂量子算法的关键。 提高读出和操控的保真度： 确保每一次量子比特的读出和操作都具有极高的准确性。 实现大规模集成和互联： 如何高效地将大量的单电子自旋量子比特连接起来，并实现它们之间的有效通信和纠缠。 克服环境干扰： 在实际工作环境中，电子自旋容易受到热噪声、电磁干扰等影响，如何有效地屏蔽这些干扰是重要的课题。 本书最后将对单电子自旋量子比特的未来发展方向进行展望，包括新型材料和器件的探索、与人工智能等其他前沿技术的交叉融合，以及其在未来科技革命中的重要意义。我们相信，随着科学研究的不断深入和技术的持续进步，单电子自旋必将在量子信息科学的宏伟蓝图中扮演越来越重要的角色，为人类带来颠覆性的技术变革。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的深度是令人敬畏的，它绝非那种可以速读或走马观花就能领会的作品。我花了比预期多一倍的时间来消化其中的内容，很多章节需要反复咀嚼，甚至需要对照其他辅助材料才能完全领会其精髓。然而，这种“慢读”的过程，恰恰是这本书魅力所在。它强迫你慢下来，去思考每一个假设背后的物理根基，去审视每一个推导步骤的逻辑闭环。我尤其欣赏作者在论证过程中所体现出的那种不妥协的精神，他们不满足于表面的解释，而是层层剥茧，直达现象的本质。对于那些已经有一定基础，希望从“知道”跨越到“精通”的读者来说，这本书无疑是架设在坚实地基上的宏伟殿堂。它对细节的关注近乎苛刻，但也正是这种细致，确保了理论框架的无可指摘，让人可以完全信赖书中所述的一切。

评分☆☆☆☆☆

这部作品简直是一场知识的盛宴，那种深入骨髓的洞察力，让人不得不佩服作者在构建理论体系时的精妙构思。我原本以为，关于基础物理概念的探讨，难免会陷入枯燥的公式堆砌，但此书完全打破了我的固有印象。它像是一位技艺精湛的匠人，不仅展示了如何打磨工具（理论模型），更重要的是，它细致入微地剖析了每一种工具的适用场景和局限性。尤其是在阐述复杂系统中的微观相互作用时，作者的处理方式极为高明，没有采用那种高高在上的说教口吻，而是通过一系列精心设计的思想实验，引导读者亲自去“触摸”那些抽象的物理实在。读完后，我感觉自己对材料科学中的输运现象有了全新的、更具结构性的理解，不再是零散的知识点，而是一张完整而严密的逻辑网。这本书的价值，不仅在于它所包含的信息量，更在于它重塑了读者的思维路径，让人在面对前沿难题时，能够迅速定位问题的核心，并找到最优雅的切入点。

评分☆☆☆☆☆

从装帧和排版来看，这本书的出版方显然是下了一番功夫的。纸张的质感非常适合长时间阅读，油墨的清晰度也保证了复杂图表的辨识度，这对于一本需要反复查阅的专业书籍来说至关重要。更重要的是，书中的插图和示意图设计得极为精良，它们往往用最简洁的视觉语言，将复杂的物理图像清晰地呈现出来，极大地减轻了读者的理解负担。很多时候，一张图胜过千言万语，这本书的配图就是最好的例证。我甚至认为，这本书的排版本身就是一种教学艺术，它引导读者的视线，突出重点，并巧妙地处理了公式和文字之间的空间关系，使得整个阅读过程既高效又舒适。它体现了一种对知识的尊重，也体现了对读者体验的重视，让人在获取知识的同时，也能享受到阅读本身带来的愉悦感。

评分☆☆☆☆☆

这本书最让我感到惊喜的是它的视野广阔度。它虽然聚焦于一个特定的物理领域，但其触角却延伸到了诸多交叉学科的前沿阵地。书中对理论模型在实际工程应用中的潜力分析，充满了前瞻性和启发性。我看到作者不仅仅满足于解释“为什么会发生”，还花了不少笔墨来探讨“如果我们可以控制它，未来会怎样”，这种结合了基础研究与应用展望的写法，极大地激发了我对未来研究方向的思考。比如，在讨论某一类材料的特性时，作者巧妙地引入了统计力学和信息论的视角，使得原本看似孤立的物理现象，在更宏大的框架下找到了统一的解释。这就像是拿到了一把万能钥匙，一下子打开了通往更多未知领域的大门。对于那些渴望在学科交叉点寻找创新突破的研究者来说，这本书提供的不仅仅是知识储备，更是一种跨学科整合的思维范式。

评分☆☆☆☆☆

阅读体验上，这本书给人一种沉静而有力的感觉，就像是在凝视一块经过千锤百炼的精钢。它的语言风格非常严谨，但绝不晦涩难懂，相反，作者似乎有一种天赋，能将那些极度抽象的概念，用一种近乎诗意的精确性表达出来。特别值得称赞的是，书中对历史背景的梳理和不同学派观点的交锋，处理得非常到位。它不仅仅是一本教科书，更像是一部浓缩的科学发展史，让我们看到了科学真理是如何在不断的质疑与修正中逐步逼近的。当我读到关于某个关键实验的细节描述时，我仿佛能感受到当年实验者面对未知时的那种紧张与兴奋，这种代入感是很多纯粹的理论著作所欠缺的。它教会我的不仅仅是“是什么”，更是“为什么会发展成这样”，这种对科学发展脉络的把握，对于一个立志于深入研究的读者来说，是极其宝贵的财富。