介观电路量子特性研究论文

该院现有“物理学”、“电子信息工程”和“通信工程”三个本科专业，“理论物理”、“光学”和“物理教育硕士”“凝聚态物理和光学工程”等四个硕士学位授权点，其中“光学”专业是江西省“十五”“十一五”重点建设学科，承担了培养学科教学（物理方向）教育硕士专业学位研究生的任务，2012年增加学位工程硕士（光学工程领域）。上世纪 90 年代，先后成立了江西师范大学物理实验中心、现代光学研究所、凝聚态物理研究所。另外，江西省光电子重点实验室挂靠在该院。该院拥有一支高水平的专业教师队伍，截止到2012年，有教职工80余人，其中教授15人，副教授和高级实验师24人，讲师，助教39人；其中，具有博士学历的教师21人，硕士研究生学历的教师33人。同时，聘请了多名国内外著名专家、学者为本院的兼职教授和客座教授，形成了一支校内与校外、老中青相结合的较高水平的教学科研队伍。 通信工程专业通信工程专业创办于1994年10月。截止到2012年，该专业有专任老师24人，教授4人，副教授5人，高级工程师1人，讲师6人，其中2人为“江西省高等学校中青年学术带头人”，1人为省高校中青年骨干教师；有8位博士，8位硕士，5位在读博士。该专业拥有光纤通信实验室、综合通信实验室、软件开发实验室等数十个专业实验室，以培养能在电子与计算机通信方面从事设计、开发的“综合性、技术性、应用性”人才为宗旨，现已形成了信号与信息处理、光通信网络与器件、信息安全与量子通信与信息对抗与射频技术四个主要研究方向。 电子信息工程专业电子信息工程专业创办于2000年。截止到2012年，该专业有专任教师19人，教授4人，博士4人，硕士6人，其中2人为“江西省高等学校中青年学术带头人”， 1人为江西省教学名师。该专业拥有模拟电子技术实验室、数字电子技术实验室等多个电子基础实验室和传感器技术实验室、ARM和可编程控制器等多个专业实验室，并拥有大学生电子科技创新创业实验中心，为培养学生的创新、创业素质和实验能力提供了平台。 物理专业物理学专业源自1942年8月成立的中正大学师范专修科理化组，是我校发展史上创办最早的系科之一，具有悠久的历史和丰富的办学经验。截止到2012年，该专业有教师36人，其中教授8人、副教授17人，博士16人。该专业先后于 1986 年和 1993 年获得理论物理和光学硕士学位授予权，为省内最早。现硕士学位招生专业有“理论物理”、“凝聚态物理”、“光学”和“光学工程”，其中光学硕士点是江西省“十五”重点建设学科。 理电学院实验中心物理与通信电子学院实验中心成立于2004年12月，由普通物理实验室、近代物理实验室、电子技术实验室、通信实验室和开放创新实验室组成。截止到2012年，中心有800元以上设备2335台套，资产1062万元，建筑面积11000平方米。在管理模式上实行校、院两级管理，采取中心主任负责制，统筹安排、调配、使用实验教学资源和相关教育资源，实现优质资源共享。实验中心形成了一支省学科带头人负责，热爱实验教学、教育理念先进、学术水平高、教学科研能力强、实践教学丰富、熟悉实验技术，勇于创新的实验教学队伍。截止到2012年，中心有教师30人、实验辅助人员5人，其中具有高级职称11人，具有硕士学位以上学历者18人。 光学工程学科光学工程学科于2006年获批一级学科硕士学位授予权，有江西省光电子与通信重点实验室作为研究平台，2011年本学科组成员王燕博士在国际顶尖学术刊物《Nature Photonics》上发表首次成功验证红外光波段逆多普勒效应的研究论文。截止到2012年，光学工程专业有专任老师24人，教授4人，副教授5人，高级工程师1人，讲师6人，其中2人为“江西省高等学校中青年学术带头人”，1人为省高校中青年骨干教师；有8位博士，8位硕士，5位在读博士。该专业已形成了激光传输控制、光信号与信息处理、光通信网络与器件、量子保密通信与光子晶体技术五个主要研究方向。以陶向阳教授、袁彩雷教授、徐波博士等领衔的团队在激光等离子体中自生间歇磁流和相对论非线性效应、强激光传输通道的线性和非线性效应、强激光热畸变和光束质量控制技术及部分相干光束的空间整形等方面开展研究工作。学院在、Optik、物理学报、光学学报等国内外重要学术期刊上发表论文40余篇（SCI、EI收录20余篇次），主编出版教材一部。以张祖兴副教授、桑明煌副教授、况庆强博士等领衔的团队在光信号与信息处理研究领域在江西省内处于领先地位，该团队获得国家自然科学基金、省自然科学基金、中国博士后特别资助基金等多项基金资助，在《Optics Express》、《Optics Letters》、《IEEE Photonics technology letters》《Optics Communications》、《光学学报》在内的国际国内一级期刊发表高水平学术论文33篇，其中18篇被SCI收录，8篇被EI收录，申请国家发明专利多项，受到国内外同行的关注。2009年获江西省高等学校科技成果二等奖。以叶志清教授、饶春芳副教授、刘木林博士等领衔的团队在光通信网络与器件方向开展研究工作，该团队获得国家自然科学基金、省自然科学基金、工业攻关项目多项基金资助，获2007年省自然科学三等奖。以聂义友教授、王资生教授、段正路博士等领衔的团队在量子保密通信方向开展研究工作，该方向获国家自然科学基金、省部级研究项目等多项基金资助，近五年该研究方向在《Phys. Rev. B》等在内的国内外学术刊物上发表论文数70多篇，其中被SCI收录论文39篇。以骆兴芳教授、王燕博士、刘桂强博士等领衔的团队在光子晶体研究方向取重大突破。首次成功验证红外光波段逆多普勒效应，该团对承担了国家级、省部级科研课题多项，发表包括《Nature Photonics》《Phys. Rev. A》在内的高水平论文多篇。 理论物理专业物理与通信电子学院理论物理学科硕士点于1986年获批。截止到2012年，共有指导教师11人，其中教授9人，副教授2人，具有博士学位8人。本学科要求掌握理论物理学科的基础理论，基本研究方法和计算方法，具有从事教学、科学研究工作或独立担负专门技术工作的能力。理论物理专业的研究方向主要有：统计物理、非线性动力学及复杂系统理论，凝聚态物理理论，量子物理、量子信息理论及其应用等。主要的研究内容集中在经典统计模型的相变、复杂网络的统计力学，新材料基础理论研究、新材料制备，量子物理基础理论及其在量子计算与量子信息的应用等。 光学专业该专业于1993年获硕士学位授予权，为江西省“十五”和“十一五”重点建设学科。该专业下设量子光学与量子信息、激光物理与光通信、光学材料与器件、光与物质相互作用四个研究方向。所授主要课程有：高等量子力学、高等电磁场理论、光学原理、高等激光物理学、计算物理、量子光学、量子电子学、量子信息与量子计算、非线性光学、纳米材料与纳米光子学、非线性光纤光学、物理学中的几何相、光学前沿研究专题、物理学专业英语等。本专业人才适合从事科学研究、技术开发与生产管理、高等院校教学。 信号检测与处理专业信号检测与处理是现代光学、电子学、信息传感、材料学等基本理论及相关应用技术的一门新兴学科，涉及到信息采集、分析与处理、加工、传播、存贮与显示等多学科为一体的现代科学技术。本专业侧重把光、电子学原理与传感技术、信息处理技术相结合，研究光纤通信技术、光电信号的检测、获取、传输与处理、光纤传感技术以及光电系统的分析与设计等。2011年获硕士学位授予权。研究方向：信号变换与处理，信号检测与传感器，系统分析与设计，光纤通信技术。 无线电物理专业江西师范大学物理与通信电子学院于2011年获无线电物理硕士学位授予权。无线电物理学学科的研究主要有三个研究方向，分别为电磁场理论与微波技术、超导电子学和电磁信息检测与处理，主要研究内容为：电磁场理论与微波技术：该专业主要研究复杂系统电磁辐射与散射的规律、数值计算方法及其在遥测遥感、目标特性、电磁兼容、通信和人类电磁环境等领域的应用；研究微波、毫米波传输理论及其在通信、雷达、遥感和测量中的应用，研究微波毫米波信息获取、处理与成像技术。该方向应用多在手机终端、无线通信、RFID等领域；军用则涉及到国家安全、装备的方方面面，雷达、导航、卫星等等，海陆空天都需要，是国家急需的专业。超导电子学：本专业方向是超导体物理与电子技术相结合的一门科学，以超导体的约瑟夫逊效应等为基础，主要研究物体处于超导状态下超导电子所具有一系列效应的理论、技术和应用。我校该方向主要研究基于低温技术的超导量子逻辑器件和电路的设计、分析及制备工艺；研究超导量子电路中的隧道效应及其应用、长相干超导量子逻辑器件和电路的设计与操纵。电磁信息检测与处理：该专业方向主要研究图象算法、运动图象捕捉与识别、Linux硬件测试和嵌入式系统、 电子设计自动化和DSP。我校该专业主要从事将人工神经网络应用于传感器技术的研究，建立智能化检测系统的理论及工程方法，根据不同工业生产过程的要求研制出先进的工业过程检测及自动化控制装置。 凝聚态物理专业江西师范大学凝聚态物理学科硕士点于2005年获批并于2006年开始招生。截止到2012年，该学科形成了多个具有一定实力的学术团队，共有教授5人，副教授4人，博士12人，博士其中4人具有两年以上海外留学经历，45岁以下教师全部具有博士学位。凝聚态物理专业的研究生招生方向有：无序与强关联体系；介观物理与低维系统；新能源材料及其相关物理问题；计算材料学；计算凝聚态物理；相变与临界现象；统计物理理论等。

介观物理学是物理学中一个新的分支学科。“介观（mesoscopic）”这个词汇，由VanKampen于1981年所创，指得是介乎于微观和宏观之间的尺度。介观物理学所研究的物质尺度和纳米科技的研究尺度有很大重合，所以这一领域的研究常被称为“介观物理和纳米科技”。对于微观粒子，原则上可以对薛定谔方程进行严格的或近似的求解。对于宏观物质的研究，则应用统计力学的方法，考虑大量粒子的平均性质。处于介观尺度的材料，一方面含有大量粒子，因而对无法薛定谔方程的求解；另一方面，其粒子数又没有多到可以忽略统计涨落的程度。这种涨落称之为介观涨落，是介观材料的一个重要特征。除了试验和技术上的重要应用外，介观尺度在理论上是探索量子混沌现象的重要场所。混沌现象是宏观经典力学中的普遍现象，但在量子世界中，目前还不能观测到低激发态量子系统的混沌现象。介观物理研究的物质处于量子体系的高激发态，其微观性质和对应的宏观力学性质有很大关联。对应的宏观力学系统行为不同的话（可积系统或是混沌系统），材料的微观性质也会不同。这使得介观物理成为研究量子混沌以及量子力学和经典力学过渡关系的重要领域。下面来简要地介绍一下介观物理的特征和介观物理的一些新的物理现象。（一）两种散射，弱局域电性我们都知道，在量子力学中，体系的状态由波函数来描写。波函数由振幅乘以一个相因子所组成，波函数与经典的波函数一样，满足叠加原理。波函数随时间的演化由薛定谔方程所描述。因面微观粒子有类似于波的一些现象：干涉、衍射等。为什么通常的物理测量中，与相位相关的相位特征没有被观测到呢？这是因为通常的宏观系统由大量的微观粒子所组成，空间的尺度远大于粒子的德布罗意波长。因此，这些粒子的波函数之间就缺乏足够的相干性。于是，测量结果就是它们的平均值。例如，电子在原子内的运动满足玻尔的量子化规律，即电子的动量与电子绕核的旋转半径的乘积只能是的整数倍，或者说电子绕原子核一周时电子相位的改变只能是的整数倍。这就是原子的玻尔量子化现象。但是，考虑一个导线绕成的一个圆环中运动的电子，由于电子在导线中运动时受到各种散射，电子在比圆环尺寸小得多的尺度上就已经失去了相干性，当然也就观测不到类似于原子理论中玻尔的量子现象了。当量子理论应用到固体中后，发展成了所谓的固体量子论。固体量子理论的一个历史性的成功就是正确地指出晶体的电阻是因为晶体中无规则分布的杂质所引起的。这些杂质可以是晶体中的掺杂和缺陷、固体中的晶格振动（称为声子）。虽然，对每一个电子的散射是波的散射，但是由于杂质的分布是无规则的，所以一般不考虑散射波之间的相干性，从而可以把电子当作有一定动量和位置的经典粒子来处理，描写晶体的电阻一般是用相空间中的玻尔兹曼方程。在电子的输运过程中，把一个波矢为的电子散射为的粒子称为背向散射。背向散射在电子的输运过程中起重要的作用。对于具有时间反演性的散射势而言，尽管各次散射是无规的，但是在波矢空间中，散射途径与的散射振幅却总是相干的。两个相干的波函数的叠加的绝对值的平方总是大于各自的绝对值的平方相加。因而这时如果不考虑电子的散射的相位的相干性就会导致与实验不一到的结果。因而这种背向散射将对传统的电导以及输运理论作出修正。维度越低，背向散射越重要。研究导体中载流子波函数相位相干性，特别是上述涉及一对时间反演对称的无规行走的闭合路径的干涉对输运过程的影响，常称为弱局域化的研究。弱局域化的研究，特别是弱局域化电性的研究，使人们认识到弹性散射与非弹性散射的本质区别。如果载流子经过弹性散射，如杂质散射，尽管散射过程很复杂，但是散射击前后散射波的相位还有确切的关系。因而保存了原来的相位记忆，或者说弹性散射不破坏波函数的相干性。非弹性散射则不同，非弹性散射前后，能量改变，我们知道，能量是和相位（频率）相联系的，因而非弹性散射带来了波函数相位的无规变化，从而破坏了散射波的相干性。这样，载流子的非弹性散射的平均距离定义了一个有物理意义的尺度，称为相位相干长度。在文献上，把尺度相当于或小于相位相干长度的小尺寸体系称为介观体系。（二）普适电导涨落80年代中期，实验发现小的金属样品，在低温下电导作为磁场的函数呈现非周期的涨落。下图列出几个有代表性的结果。其中，a和b分别为电导随磁场的变化的涨落，c为电导随栅压的涨落。在金属性介观样品中所观察到的这种涨落具有如下特征：1）这是与时间无的非周期涨落，因而它们不是由于热噪声。2）这种涨落是样品特有的，每一特定的样品有自身特有的涨落图样，而且，对于给定的样品，在保持宏观条件不变的情况下，其涨落图样是可以重现的。因此，样品的涨落图样被称为样品的指纹。3）电导涨落的一个最重要的特征是浇落的大小是量级为的普适量。它与样品质的材料、尺寸、无序程度、电导平均值的大小无关。只要样品是介观大小的，并处于金属区。理论研究还表明，电导涨落的大小与样品形状及空间维数只有微弱的依赖关系。正是由电导涨落的这种间适性，所以才称之为普适电导涨落。从物理上看，普适电导涨落来源于介观体系中的量子干涉效应。根据Laudauer理论，电导正比于总透射几率。从样品一边到另一边的透射几率是由许许多多的费曼路径的相应的几率幅之和。在金属区电子通过样品时经历多次与杂质散射，其费曼路径是无规行走的准经典的轨道。不同的费曼路径之间的相位差是不规则的，导到随机干涉效应，使电导呈现非周期性的不规则涨落。同时，电导涨落的大小是，这是明显不符合统计力学的规律的。我们知道，根据统计力学，宏观系统物理量x的相对涨落为：～其中是x的方差，表示系综平均，Lc是某一关联长度，L是超立方的边长，d是超立方的维数。上式表明，x的相对涨落随而趋于零。这一性质就前面所说的经典自平均。下面来看普适电导涨落的数值。由于：及欧姆定律：当d<4时上面两式与经典的自平均不符。特别当d=2时，由上式给出的电导的相对涨落与L无关；当d=1时，甚至随L的增加而增加。由此可风，普适电导涨落与经典的电导涨落是不同的。Lee和Stone以及Altshuler等到人用微扰的方法研究了普适电导涨落，他们计算了关联函数：其中，为无量纲的电导，电导涨落的大小可表为：他们发现，在波函数满足相位相干的条件下，F（0，0）是数量级为1的普适量，与样品的材料、尺寸、无序程度、电导平均值的大小无关。而与样品形状及空间维数只有微弱的依赖关系。于是：于是就从理论上证明了介观系统在金属区的电导涨落是普适的。（三）库仑阻塞：带电粒子，在电场的作用下定向运动，从而形成电流。在多体带电体系中，由于库仑作用，带电粒子处于两种电场中：一是形成定向运动的外电场，二是粒子之间的库仑相互作用。考虑分立的多体带电系统，这时形成电流是由于带电粒子的隧道效应，从分立的一部分到达分立的另一部分。理论预言，电流一定条件下会中断。这就是所谓的库仑阻塞。这是一种带电粒子的关联现象。如下图，为一个电容器，二极板上分有电荷Q，－Q。由于金属的表面势阱，从而可以把电容看成一个势场图象。量子力学预言，电子可以由隧道效应而通过势垒从一边到达另一边。因而对有限在的势垒而言，电流总是存在的。理论预言，从统计的角度看，电流要能存在，极板上的电荷应大于一定的阈值Qth,相应的电压也必须大于一定值。Q-Q由上可知道，只要电荷达到阈值理，库仑阻塞就会发生。考虑一个外结电源，只要电源能够提供足够的电荷，当经过一定的时间后，电荷会再次超过阈值，从而隧道又得以导通，接着又达到阈值，阻塞又发生，如此往复，就会产生所谓的直流音电子隧道振荡。从而可望获得对单电子的控制。（四）超晶格中的量子隧穿：隧穿现象是一种垂直于因品格异质结界面的电子输运过程，它是超品格中电子态研究的一个基本环节。在隧穿问题的研究中，人们最感兴趣的是双势垒谐振隧穿效应。所谓谐振隧穿是指当电子接连隧穿过两个靠得很近的势垒时，隧穿几率随入射电子能量的变化会出现致个极大值。对于具有对称双势垒结构，发生谐振时的电子最大隧穿几宰等于1，即对称双势垒对某些能量的入射电于是完全透明的、发生谐振睡穿的物理机制来自于两个势垒之间的势阱内电子能量的量子化。当入射电子能量等于势阱中电子的量子化能级时，谐振现象发生。谐振隧穿二极管中的电子输运一个典型的谐振隧穿二级管是由两个极薄势垒和一个势阱构成的双势垒异质结构。在实际的器件中、入射电子的能量是固定的、它决定于发射区中电子的状态，量子阱中的量子能级也具有确定的值。为了使谐振隧穿发生，可在器件上加一电压，此时势垒上的电压降改变了量子阶中量子能级与发射区费米能级之间的相对高度、于是在器件的J一丫持性曲线上便可反映出谐振隧穿的存在。在器件上加一电压后便有隧穿电流产生．当电压正好使得入射电子的能量等于势阱中的量于能级时，谐振现象发生，隧穿电流出现极大值。如果外加电压进一步增大．对应于量于阱中能量更高的量子能级，有可能再次发生谐振隧穿，J—v曲线上会再次出现电流的峰值。这种典型的负微分电阻效应．是电子垂直于双势垒层作一维运动时所必然出现的结果。负微分电导现象向人们展示了谐振隧穿二极管在毫米波和亚毫米波领域具有良好的应用前景。谐振隧穿三级管中的电子输运如同普通晶体管一样，谐振隧穿三级管也是一种具有电流和电压放大作用和功率增益的高速逻辑器件，谐振隧穿NPN双极型三级管是一种典型的谐振隧穿器件．其中基区为P型掺杂，发射区和集电区为N型掺杂，基极和发射极间的电压用于调节发射区中电子能量与量子阱中量于能级之差．以控制从发射区穿过双势垒流向收集区的电流。由于谐振隧穿三级管是弹道型输运器件．即电子隧穿势垒的过程是弹道式的，运动电荷所具有的速度是电子的群速度．它比普通晶体管中电子的漂移速度要大得多．因而谐振瞪穿器件的响应时间也要小得多。这种器件的电流增益已超过了60。另一种谐振隧穿器件是只有一种载流于的单极型谐振隧穿三级管。在这种结构中、基区处于双势垒区外侧，在基区与收集区之间有一个低势垒层，三个区域都是N型材料，这种器件在液氮温度下显示了很高的峰谷比和高额特性。更为值得一提的是多重态三极瞥．采用这种结构可以发展多种逻辑线路．从而使得电子线路大为简化，即用少数几个器件就能代替较复杂的线路来完成某种功能，因而可以大大简化线路的复杂性，缩小电路尺寸，提高运算速度。在这种瞪穿器件中，对应于量子阱中的多个量子能级．在J—V待性曲线上将出现多个谐振峰。超品格器件中的电子输运超品格器件在结构上的最主要待征则是，在电流传播方向上具有由多个量子阱层和势垒层构成的周期性结构，隔开各阱层的势垒层很薄，具有较大的电子隧穿几率，电子在沿垂直超品格平面的方向连续穿过多个周期势垒运动。在超品格中．电子在单个量子阱中形成一定的量子能级．超品格内相邻量子阱中的量于能级通过它们之间的薄势垒层有一较弱的耦合，因而每一量子能级扩展成一个能带。由于耦合很弱，形成的能带较窄，称作于能带．设电子的能量为Eb．超品格周期为d，于能带宽度为D．电场强度为E，当电场时．平均漂移速度有极大值。当E进一步增大时，速度反而减小．阈值电场。即使有散射存在，在超品格的J—v曲线中，最初电流随电压的增加而增大，当电压使得电场达到阈值时，电压的进一步增加反而使电流减小．出现负的动态电阻。随着电压不断增大，还可能出现多个电流峰值和多个负阻区间。从理论上讲，如果完全不存在散射，电子的运动无沦在速度空间或动量空间都可能表现出振荡行为。这一现象称为布洛赫振荡，对应于布洛赫振荡的电子输运过程也是一种负微分电导现象。在超品格器件中还存在著另一种负微分电导机制，即扩展态——局域态转变．它所描述的物理意义是，在沿着其周期方向足够强的外电场中，超品格在一个周期上的电位差将大于于能带宽度．此时相邻量子阱中的量子能级彼此错开．一个量子阱中量子能级的能量处于相邻量子阱的能隙中，电子在各量子阱中的量子能级变成高度为Eed的wannier—Stark阶梯。在这种情况下，相邻量子阱的量子能级状态之间的耦合很弱，电子波函数变得定域化了，电子隧穿过势垒的几率很小，因而超晶格的电导变得很小；当沿着超晶格方向所加的电场由小变大时．由于电子的状态由扩展态转变成定域态，使电导由大变小，即出现负的微分电导。