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第 17 卷 　第 4 期 杭州教育学院学报 2000 年 7 月 Vol. 17 　No. 4 JOURNAL OF HANGZHOU EDUCATIONAL INSTITUTE J ul. 2000 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 1μ m 之分 , 微观系统的尺度为原子数量级 , 即 10 - 6 m 、线度为几十个纳米 1nm 10 - 8 厘米数量级 , 包含个数不多的粒子。 10 - 9 m 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 的微观粒子 , 约为阿伏伽德罗常数 1023 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 1959 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 8 11 100～1000 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 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、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。纳米科学技术的诞生源于扫描隧道显微 察