單電子學 9787030198822 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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蔣建飛 著

圖書標籤:

• 單電子學
• 量子點
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• 物理學
• 半導體
• 微電子學
• 電路
• 材料科學
• 凝聚態物理

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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030198822

商品編碼：29673040877

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

售價：54.4元,便宜25.6元,摺扣68

作者:蔣建飛

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2007-09-01

ISBN：9787030198822

字數：

頁碼：502

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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作者介紹

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文摘

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序言

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量子信息科學的前沿探索：單電子自鏇量子比特與量子信息處理 在二十一世紀，信息科學正以前所未有的速度嚮前發展，而量子力學理論的深入理解和應用，為我們描繪瞭一個全新的信息處理範式——量子信息科學。在這個蓬勃發展的領域中，如何精確操控和利用微觀粒子的量子特性，構建高效的量子計算和量子通信係統，成為科學傢們孜孜以求的目標。而單電子自鏇，因其固有的量子特性和易於操控的潛力，正日益成為構建量子信息處理單元——量子比特（qubit）——的理想候選者之一。 本書將深入探討單電子自鏇在量子信息科學中的核心作用，揭示其作為量子比特的獨特優勢，並係統梳理當前單電子自鏇量子比特的理論基礎、實驗實現以及在量子信息處理方麵的最新進展。我們希望通過本書，為讀者勾勒齣一幅宏偉的量子信息科學藍圖，並重點聚焦於單電子自鏇這一關鍵技術節點，展現其在通往強大量子計算和安全量子通信道路上的重要價值。 第一部分：量子比特的基石——單電子自鏇的量子特性 量子信息科學的核心在於量子比特，它與經典比特不同，能夠同時處於0和1的疊加態，並能利用量子糾纏等奇特現象實現指數級的計算能力提升。在眾多可能成為量子比特的物理係統中，電子自鏇以其簡單的二能級結構和良好的量子相乾性，展現齣巨大的吸引力。 電子作為基本粒子，擁有一個內稟的量子力學屬性——自鏇。自鏇可以被理解為電子繞自身軸鏇轉的角動量，盡管這是一種高度簡化的類比。在磁場作用下，電子的自鏇會指嚮與磁場方嚮平行或反平行，從而産生兩個離散的能級。我們可以將這兩個能級分彆定義為量子比特的“0”態和“1”態。例如，設想一個處於外加磁場中的電子，其自鏇平行於磁場可以對應“0”態，反平行於磁場對應“1”態。 單電子自鏇作為量子比特的優勢在於其內在的簡潔性和可塑性。它是一個基本自由度，不像一些宏觀係統那樣需要復雜的集成和精密的調控。更重要的是，電子的自鏇具有非常高的量子相乾性，這意味著它能夠長時間地保持其量子疊加態，避免因環境乾擾而退相乾，這是實現穩定量子計算的關鍵。此外，通過巧妙的微納加工技術，我們可以將單個電子囚禁在納米結構中，實現對其自鏇的精確操控。 本書將首先詳細介紹電子自鏇的量子力學描述，包括其角動量算符、泡利矩陣以及在外部磁場中的行為。我們將深入解析斯塔剋效應和塞曼效應對於能級的影響，並闡述如何利用這些效應來定義和區分量子比特的“0”態和“1”態。此外，我們還將討論自鏇的量子糾纏現象，這是實現量子並行計算和量子通信安全性的基石，並為後續章節的實驗實現和應用打下堅實的理論基礎。 第二部分：囚禁與操控——單電子自鏇量子比特的實驗實現 理論上的構想需要轉化為實際可用的物理係統。將單個電子自鏇有效地囚禁起來，並實現對其狀態的精確讀齣和操控，是單電子自鏇量子比特走嚮實際應用的關鍵挑戰。多年來，科學傢們在這一領域取得瞭突破性的進展，湧現齣多種具有潛力的實驗平颱。 量子點（Quantum Dots）： 量子點是半導體材料中尺寸在納米量級的微小區域，其內部的電子運動受到尺寸效應的限製，具有類原子能級結構。通過巧妙的電極設計，我們可以利用靜電勢壘將單個電子“捕獲”在量子點中。一旦電子被囚禁，其自鏇就可以被用作量子比特。通過外部微波脈衝，我們可以精確地翻轉電子自鏇的狀態，實現量子比特的初始化、操作和測量。本書將詳細介紹不同類型的量子點（如矽量子點、砷化鎵量子點等），以及其在電子囚禁和自鏇操控方麵的優缺點。我們將深入解析量子點中電子的能級結構、自鏇-軌道耦閤以及如何利用外部電場和磁場實現自鏇態的操控。 單原子係綜（Single Atomic Sites）或單分子（Single Molecules）： 另一種實現單電子自鏇量子比特的途徑是利用單個具有磁性原子的係統，例如稀土離子摻雜的固體材料，或者特定的有機分子。這些係統通常具有天然存在的、高度局域化的電子自鏇。通過光學激發和探測技術，我們可以實現對這些單原子或單分子的自鏇態的操控和讀齣。本書將介紹如何利用熒光探測、磁共振技術等手段來探測和控製單原子或單分子的自鏇狀態，並討論其與量子點等體係的異同。 超導電路中的單電子自鏇： 近年來，與超導量子比特的結閤也成為研究的熱點。在超導電路中，可以通過耦閤一個微小的磁性原子或者將電子囚禁在超導材料的納米結構中，從而實現單電子自鏇的操控。這種方法有望將單電子自鏇的優點與超導量子比特的強大糾纏能力結閤起來，實現更強大的量子計算能力。本書將探討如何將單電子自鏇與超導電路進行集成，以及如何利用超導電路的優勢來提升單電子自鏇量子比特的性能。 除瞭上述主要的實現平颱，本書還將介紹其他潛在的單電子自鏇量子比特載體，如金剛石中的氮-空位（NV）色心，其電子自鏇可以作為高效的量子比特，並在室溫下具有良好的相乾性。 在實驗實現方麵，我們將重點關注以下幾個關鍵技術： 單電子囚禁技術： 如何利用微納加工技術構建能夠精確囚禁單個電子的納米結構，例如通過製備高品質的量子器件，實現對電子的有效絕緣和隔離。 自鏇初始化： 如何將電子自鏇穩定地準備到特定的初始狀態（例如“0”態），為後續的量子操作奠定基礎。 自鏇操控技術： 如何利用精確調控的微波脈衝、激光脈衝或者電磁場來實現對電子自鏇的各種單比特量子門操作，如X門（翻轉）和H門（疊加）。 自鏇讀齣技術： 如何高效、無損地測量電子自鏇的狀態，區分“0”態和“1”態。這通常涉及到利用電子自鏇與某些探測信號（如熒光、電荷）的耦閤。 量子相乾性維持： 如何在實驗上最大程度地減小環境噪聲對電子自鏇的影響，延長其量子相乾時間，從而實現更復雜的量子算法。 第三部分：量子信息處理的應用前景——單電子自鏇在未來技術中的角色 單電子自鏇量子比特的優越特性，使其在構建強大的量子信息處理係統方麵具有巨大的潛力。本書的第三部分將聚焦於單電子自鏇量子比特在量子計算、量子通信和量子傳感等領域的應用前景。 量子計算： 量子計算機有望在解決經典計算機難以應對的復雜問題方麵展現齣指數級的優勢，例如藥物研發、材料設計、密碼破解以及優化問題等。構建容錯量子計算機需要數以百萬計的穩定量子比特，而單電子自鏇作為一種潛在的、可擴展的量子比特載體，為實現這一目標提供瞭可能。 量子算法的實現： 本書將概述一些重要的量子算法，如Shor算法（用於因子分解）和Grover算法（用於搜索），並討論如何利用單電子自鏇量子比特來構建實現這些算法的基本模塊。 量子比特的擴展性： 探討如何將大量的單電子自鏇量子比特集成在一起，形成大規模的量子處理器。這涉及到多量子比特的連接、控製以及量子糾錯碼的設計。 與現有技術的結閤： 討論如何將單電子自鏇量子比特與超導量子比特、離子阱量子比特等其他量子比特平颱進行混閤集成，以發揮各自的優勢，共同構建更強大的量子計算係統。 量子通信： 量子通信利用量子力學的原理，可以實現理論上無法被竊聽的安全通信。 量子密鑰分發（QKD）： 單電子自鏇的量子態可以被編碼成量子信息，並通過量子信道傳輸。即使信息被竊聽者截獲，由於量子測量的不可逆性，竊聽行為也會被通信雙方察覺。本書將介紹基於單電子自鏇的QKD方案，並分析其在安全性和實現方麵的挑戰。 量子中繼器： 在長距離量子通信中，信號衰減是主要障礙。量子中繼器利用量子糾纏分發和量子糾錯技術，可以剋服這一限製，實現超越經典通信範圍的量子信息傳輸。單電子自鏇在構建高效率的量子中繼器方麵具有重要作用。 量子傳感： 量子傳感利用量子係統的極高靈敏度，可以實現對物理量的超高精度測量。 磁場和電場探測： 單電子自鏇對外部磁場和電場極為敏感，其能級會隨著這些場的微小變化而改變。這使得單電子自鏇成為一種潛在的高精度磁場和電場傳感器，可用於生物成像、材料科學等領域。 溫度和壓力測量： 在特定的應用場景下，單電子自鏇的性質也可以用來探測溫度和壓力等物理量。 挑戰與展望： 盡管單電子自鏇量子比特展現齣巨大的潛力，但在實際應用中仍麵臨諸多挑戰，包括： 提高量子相乾時間： 進一步提升電子自鏇的量子相乾時間，是實現更復雜量子算法的關鍵。 提高讀齣和操控的保真度： 確保每一次量子比特的讀齣和操作都具有極高的準確性。 實現大規模集成和互聯： 如何高效地將大量的單電子自鏇量子比特連接起來，並實現它們之間的有效通信和糾纏。 剋服環境乾擾： 在實際工作環境中，電子自鏇容易受到熱噪聲、電磁乾擾等影響，如何有效地屏蔽這些乾擾是重要的課題。 本書最後將對單電子自鏇量子比特的未來發展方嚮進行展望，包括新型材料和器件的探索、與人工智能等其他前沿技術的交叉融閤，以及其在未來科技革命中的重要意義。我們相信，隨著科學研究的不斷深入和技術的持續進步，單電子自鏇必將在量子信息科學的宏偉藍圖中扮演越來越重要的角色，為人類帶來顛覆性的技術變革。

評分☆☆☆☆☆

這本書最讓我感到驚喜的是它的視野廣闊度。它雖然聚焦於一個特定的物理領域，但其觸角卻延伸到瞭諸多交叉學科的前沿陣地。書中對理論模型在實際工程應用中的潛力分析，充滿瞭前瞻性和啓發性。我看到作者不僅僅滿足於解釋“為什麼會發生”，還花瞭不少筆墨來探討“如果我們可以控製它，未來會怎樣”，這種結閤瞭基礎研究與應用展望的寫法，極大地激發瞭我對未來研究方嚮的思考。比如，在討論某一類材料的特性時，作者巧妙地引入瞭統計力學和信息論的視角，使得原本看似孤立的物理現象，在更宏大的框架下找到瞭統一的解釋。這就像是拿到瞭一把萬能鑰匙，一下子打開瞭通往更多未知領域的大門。對於那些渴望在學科交叉點尋找創新突破的研究者來說，這本書提供的不僅僅是知識儲備，更是一種跨學科整閤的思維範式。

評分☆☆☆☆☆

這部作品簡直是一場知識的盛宴，那種深入骨髓的洞察力，讓人不得不佩服作者在構建理論體係時的精妙構思。我原本以為，關於基礎物理概念的探討，難免會陷入枯燥的公式堆砌，但此書完全打破瞭我的固有印象。它像是一位技藝精湛的匠人，不僅展示瞭如何打磨工具（理論模型），更重要的是，它細緻入微地剖析瞭每一種工具的適用場景和局限性。尤其是在闡述復雜係統中的微觀相互作用時，作者的處理方式極為高明，沒有采用那種高高在上的說教口吻，而是通過一係列精心設計的思想實驗，引導讀者親自去“觸摸”那些抽象的物理實在。讀完後，我感覺自己對材料科學中的輸運現象有瞭全新的、更具結構性的理解，不再是零散的知識點，而是一張完整而嚴密的邏輯網。這本書的價值，不僅在於它所包含的信息量，更在於它重塑瞭讀者的思維路徑，讓人在麵對前沿難題時，能夠迅速定位問題的核心，並找到最優雅的切入點。

評分☆☆☆☆☆

從裝幀和排版來看，這本書的齣版方顯然是下瞭一番功夫的。紙張的質感非常適閤長時間閱讀，油墨的清晰度也保證瞭復雜圖錶的辨識度，這對於一本需要反復查閱的專業書籍來說至關重要。更重要的是，書中的插圖和示意圖設計得極為精良，它們往往用最簡潔的視覺語言，將復雜的物理圖像清晰地呈現齣來，極大地減輕瞭讀者的理解負擔。很多時候，一張圖勝過韆言萬語，這本書的配圖就是最好的例證。我甚至認為，這本書的排版本身就是一種教學藝術，它引導讀者的視綫，突齣重點，並巧妙地處理瞭公式和文字之間的空間關係，使得整個閱讀過程既高效又舒適。它體現瞭一種對知識的尊重，也體現瞭對讀者體驗的重視，讓人在獲取知識的同時，也能享受到閱讀本身帶來的愉悅感。

評分☆☆☆☆☆

閱讀體驗上，這本書給人一種沉靜而有力的感覺，就像是在凝視一塊經過韆錘百煉的精鋼。它的語言風格非常嚴謹，但絕不晦澀難懂，相反，作者似乎有一種天賦，能將那些極度抽象的概念，用一種近乎詩意的精確性錶達齣來。特彆值得稱贊的是，書中對曆史背景的梳理和不同學派觀點的交鋒，處理得非常到位。它不僅僅是一本教科書，更像是一部濃縮的科學發展史，讓我們看到瞭科學真理是如何在不斷的質疑與修正中逐步逼近的。當我讀到關於某個關鍵實驗的細節描述時，我仿佛能感受到當年實驗者麵對未知時的那種緊張與興奮，這種代入感是很多純粹的理論著作所欠缺的。它教會我的不僅僅是“是什麼”，更是“為什麼會發展成這樣”，這種對科學發展脈絡的把握，對於一個立誌於深入研究的讀者來說，是極其寶貴的財富。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，這本書的深度是令人敬畏的，它絕非那種可以速讀或走馬觀花就能領會的作品。我花瞭比預期多一倍的時間來消化其中的內容，很多章節需要反復咀嚼，甚至需要對照其他輔助材料纔能完全領會其精髓。然而，這種“慢讀”的過程，恰恰是這本書魅力所在。它強迫你慢下來，去思考每一個假設背後的物理根基，去審視每一個推導步驟的邏輯閉環。我尤其欣賞作者在論證過程中所體現齣的那種不妥協的精神，他們不滿足於錶麵的解釋，而是層層剝繭，直達現象的本質。對於那些已經有一定基礎，希望從“知道”跨越到“精通”的讀者來說，這本書無疑是架設在堅實地基上的宏偉殿堂。它對細節的關注近乎苛刻，但也正是這種細緻，確保瞭理論框架的無可指摘，讓人可以完全信賴書中所述的一切。