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1、第17卷 第4期 杭州教育学院学报2000年7月Vol.17No.4JOURNALOFHANGZHOUEDUCATIONALINSTITUTEJul.2000X介观物理和纳米科学技术许 晶 波 摘要:本文介绍了介观物理和纳米科学技术的发展和意义。关键词:介观 纳米 物理学是一切工程学科的带头学科,它量仍然是大量微观粒子统计平均的结果,但的发展对人类文明产生了巨大影响,世界科粒子波函数的相位的相干迭加并没有统计平技史上的三次大的技术革命都与物理学的发均掉,量子力学规律起着支配作用。介观系展密切相关。物理学的前沿研究成果导致了统的
2、量子微观特征在宏观测量时仍能观察一批新学科和新技术的产生,而高新技术反到,这不仅有助于对量子力学和统计物理的过来又促进物理学和其他一些科学的进一步一些基本原理进行实验上的检验,而且有助发展。介观物理和纳米科学技术是八十和九于设计新一代的微电子器件,因此具有重要十年代发展起来的新的科学技术,它们的出的应用前景。现将对人类深入认识自然界以及生产力的进介观系统的物理现象之所以引起物理学步和发展产生极其深远的影响。家的兴趣,一个重要的原因是由于现代工艺物理学所研究的系统通常有微观和宏观技术的发展。目前,制作长度在微米(1μm-6之分,微观系统的尺度为原
3、子数量级,即=10m)、线度为几十个纳米(1nm=-8-910厘米数量级,包含个数不多的粒子。10m)的样品已不是太困难的事情。一些宏观系统的尺度远大于原子尺度,包含大量线状或环状的小尺寸样品的实验结果呈现出23的微观粒子,约为阿伏伽德罗常数10数量与宏观极不相同的现象,观察到强烈的量子级。宏观系统和微观系统的最重要的区别在干涉效应。这是电子的波动性在充分地发挥于它们所服从的物理规律十分不同,在微观作用。介观系统中最能体现电子波动性的是系统中宏观规律(经典力学规律)不再适AB效应,它是介观物理发展的基础。用,需要服从量子力学规律,波函数的相位1
4、959年,Aharonov和Bohm设计了一起着重要作用。个电子束双缝干涉实验,使一束电子分岔通近几年来,发现了尺度介于两者之间的过两个具有不同电磁势的路径,然后在一处介观系统。介观系统的尺度是微观尺度的汇合,观察其电子波的干涉现象,这种干涉811100～1000倍,包含约10～10个微观粒效应就称为AB效应。Aharonov和Bohm在子。介观系统基本上属于宏观范围,其物理他们的文章中指出,在量子领域中要重视电X收稿日期:2000-06-20作者简介:许晶波(1960～),男,浙江大学物理系教授、博导。·1·许晶波:介观物理和纳米科学技术磁势
5、的真实物理意义和作用,不能象经典电以上的弹性散射,电子波在相干性仍将保动力学那样认为电磁势的引入只是数学上作持。八十年代初,人们终于在固体材料中观为描述电磁势的一种方法,而不是物理实察到了介观尺度上的量子干涉效应。这些工在,只有电磁场强度才具有真实的物理效作为介观物理的发展奠定了基础。应。按照量子力学可以证明尽管在电子波传近十年来,介观物理得到了迅猛的发播的路径上不存在电场或磁场,但只要存在展,人们对磁场电阻的周期振荡,金属环中电磁的标量势和矢量势,就可以改变电子波的持续永久电流、电导起伏的普适性、磁指函数的相位,因而影响电子波的干涉效应和纹、
6、非定域效应等介观尺度上的物理现象进电子波的几率密度。显然这是一种量子力学行了大量的研究,已得到了许多新的研究成效应,是粒子波函数的相位受到电磁场的调果,但理论和实验的研究还有待于进一步不制造成的。断深入。AB效应理论提出不久,1960年,纳米科学技术在介观物理、量子力学等Chambers在真空中首次观察到了电子波干现代科学与计算机、微电子和扫描隧道显微涉图样随磁通的改变呈周期性的变化,从而镜等先进工程技术基础上发展起来的一种研在实验中验证了AB效应。那未在固体材料究和应用原子、分子现象的全新的科学技中是否存在AB效应呢?在固体材料中要观术。纳米
7、科学技术的诞生源于扫描隧道显微察到AB效应,前提是两束电子波在汇合时镜的发明。扫描隧道显微镜是基于量子力学要保持其相干性。电子在固体材料中传播要中的隧道效应制成的新型原子级这一空前高受到缺陷、杂质等因素的散射,从而影响电分辨率的电子显微镜,是继第一代光学显微子波的相干性。对电子受到的散射,可分为镜和第二代电子显微镜之后出现的第三代显弹性散射和非弹性散射两种。杂质对电子的微镜。扫描隧道显微镜不仅可以获得固体表作用是库仑相互作用,由于杂质质量比电子面原子的图象,而且可以在自然条件下对生质量大得多,所以杂质对电子的散射属于弹物大分子进行高分辨率的直接
8、观察。性散射,即散射前后能量不改变,只改变电1989年元月,美国科学杂志上刊登了子的动量,每一次散射仅使电子附加一个确第一张用扫描隧道显微镜拍摄的DN
