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最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室刘伍明研究组在光与物质相互作用领域取得重要进展。他们发现在包含自旋为2的冷原子玻色—爱因斯坦凝聚体的两个光学势阱中可以产生一种新颖的量子效应—非阿贝尔约瑟夫森效应(Non-Abelian Josephson effect),并进一步设计了相干物质波干涉器件。这项新的研究工作对于进一步认识新奇量子现象,特别是玻色—爱因斯坦凝聚系统的新型量子效应具有非常重要的意义。 研究光与物质相互作用以及揭示新奇量子现象,并利用其奇异性质设计新型的量子器件,是人们长期以来一直感兴趣的问题,例如1997年度诺贝尔物理学奖授予美国斯坦福大学朱棣文教授、美国标准与技术研究院菲利普斯博士和法国巴黎高师科昂-塔诺季教授,以表彰他们发明了用激光冷却来俘获原子的方法。2001年度诺贝尔物理学奖授予美国标准与技术研究院科纳尔博士和威依迈博士、麻省理工学院凯特纳教授,以表彰他们实现碱性原子的玻色—爱因斯坦凝聚,揭示了一种新的物质状态。约瑟夫森效应是玻色—爱因斯坦凝聚、超导、超流系统中出现的新奇量子现象。1973年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学约瑟夫森博士,以表彰他对穿过隧道壁垒的超导电流所作的理论预言:对于超导体—绝缘层—超导体互相接触的结构,只要绝缘层足够薄,超导体内的电子对就有可能穿透绝缘层势垒,即约瑟夫森效应。作为一种宏观量子效应,约瑟夫森效应不仅具有重要的科学意义,而且有广泛的实际应用,例如制作超导量子干涉器件。刘伍明研究组自1999年以来一直致力于光与物质相互作用的研究,并取得了一些重要研究成果,曾先后在 Physical Review Letters 上发表论文 9 篇,其中单篇被SCI论文引用超过100 次的有2篇。 博士生齐燃、余小鲁、研究员刘伍明与中山大学李志兵教授合作,他们发现在包含自旋为2的冷原子玻色—爱因斯坦凝聚体的两个光学势阱中可以产生一种新颖的量子效应—非阿贝尔约瑟夫森效应(Non-Abelian Josephson effect),并进一步设计了可以观察这种非阿贝尔约瑟夫森效应的真实物理系统。相对于阿贝尔情况,非阿贝尔约瑟夫森效应具有不同的密度和自旋隧穿特征。他们获得了表征非阿贝尔约瑟夫森效应的特征量—自旋为2的冷原子玻色—爱因斯坦凝聚体的两个光学势阱之间不同量子态的赝戈德斯通模(Pseudo Goldstone modes),并给出了如何在实验上观察非阿贝尔约瑟夫森效应的方案。这项新的研究工作对进一步认识新奇量子现象,特别是玻色—爱因斯坦凝聚系统的新型量子效应具有非常重要的意义。 相关研究得到中国科学院、国家自然科学基金委员会和科技部的支持。这一研究成果已发表在2009年5月2日出版的Physical Review Letters 102,185301(2009)上。
中文名称: 约瑟夫.汤姆孙 外文名: Jospeh John Thomson 生卒年: 公元1857~1940年 故居: 英国,曼彻斯特,齐山姆 洲: 欧洲 国别: 英国 省: 曼彻斯特 约瑟夫.汤姆孙,也译做作约瑟夫.汤姆生,英国物理学家。1856年12月8日生于英格烂曼彻斯特郊区齐山姆的一个书商家庭。他的父亲从自己的亲身经历中深刻认识到没有知识的苦处,便发誓要教子成材,请了家庭教师指导儿子的学习。14岁进入曼彻斯特大学欧文学院学习。不久父亲病逝,只能靠微薄的奖学金维持学业。1874年,他年方18岁,便在物理学家B.史迪华指导下完成了第一篇科学论文《绝缘体之间接触电的实验研究》。1876年考试合格,被保送到剑桥大学,成为剑桥大学三一学院的数学研究生,1880年毕业于剑桥大学并留校,次年便成为三一学院研究员,此后便在剑桥度过一生。由于对完全不同压缩流体中两个闭合旋涡相互作用的研究成果,1883年他获得亚当斯奖金,因而当年升任讲师。1884年春被选为英国皇家学会会员,随后转入卡文迪什实验室工作。1884年12月他完成精确测定电量的静电单位与电磁单位两数值之比(结果为2.997×10-10cm/s)等实验研究,即被剑桥大学评选委员会评选为卡文迪什实验室教授,接替瑞利的主任职位;1905年接替瑞利担任皇家学院自然哲学教授。因为发现了电子,汤姆孙获得了1906年的诺贝尔物理学奖。1911~1913年任英国皇家学会副会长,1915~1920年任会长。1918年起担任三一学院院长,1919年他辞去卡文迪什实验室教授的职位,推荐他的学生E.卢瑟福继任,而自己留在实验室继续进行研究工作,指导青年研究生长达21年, 1940年8月30日汤姆孙在剑桥逝世。享年84岁。他的遗体和牛顿、达尔文和开尔文等著名学者一起安放在伦敦市中心的威斯敏斯特教堂。研究领域:物理学1、在气体放电领域的研究和发现汤姆孙在物理学上最重要的贡献是发现了电子的存在。1897年通过对阴极射线的研究,测定了电子的荷质比,从实验上发现电子的存在,这一发现标志着人类对物质结构的认识进入了一个新层次。后来有发现电子的许多性质,指出电子既象气体中的导电体,又像原子中的组分。还同阿斯顿合作,找到有力证据证明元素气体氖至少有两种不同重量的原子。1912年,通过对某些元素的极隧射线研究,指出存在同位素。2、发明质谱方法,后经同时在卡文迪什实验室工作的F.阿斯顿的改造和完善,发展成今天的质谱仪。3、汤姆孙的第一篇重要论文,是关于麦克斯韦电磁理论在带电球的远动中的应用,文中指出,带电球可以具有由电荷产生的表现附加质量,其大小与静电能量成正比。这是想爱因斯坦著名的质能等价定律迈出的第一步。作品:1、《动力学在物理和化学中的应用》(1886年)2、《电磁学数学理论基础》(1895年)3、《气体导电》(1903年)4、《光结构》(1907年)5、《电子和化学》(1923年)曾获奖项:1、1883年获得亚当斯奖金2、1906年获诺贝尔物理学奖3、1908年被封为勋爵4、1912年获梅里特勋章5、此外,还获富兰棵林奖章、道尔顿奖章和法拉第奖章等
隧道效应目录 定义 概述 原理 发现者 用途 隧道二极管 隧道巨磁电阻效应 宏观量子隧道效应 隧道效应 tunnel effect编辑本段定义 由微观粒子波动性所确定的量子效应。又称势垒贯穿 。考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒,按照经典力学,粒子是不可能越过势垒的;按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外,还有透过势垒的波函数,这表明在势垒的另一边,粒子具有一定的概率,粒子贯穿势垒。理论计算表明,对于能量为几电子伏的电子,方势垒的能量也是几电子伏 ,当势垒宽度为1埃时 , 粒子的透射概率达零点几 ;而当势垒宽度为10时,粒子透射概率减小到10-10 ,已微乎其微。可见隧道效应是一种微观世界的量子效应,对于宏观现象,实际上不可能发生。 在势垒一边平动的粒子,当动能小于势垒高度时,按经典力学,粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子,量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒,实际也正是如此,这种现象称为隧道效应。对于谐振子,按经典力学,由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在,此现象也是一种隧道效应。 隧道效应是理解许多自然现象的基础。编辑本段概述 在两层金属导体之间夹一薄绝缘层,就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结,即电子可以穿过绝缘层,这便是隧道效应。使电子从金属中逸出需要逸出功,这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低.于是电子隧道结对电子的作用可用一个势垒来表示,为了简化运算,把势垒简化成一个一维方势垒。 所谓隧道效应,是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层(厚度大约为1nm(10-6mm),如氧化薄膜),当两端施加势能形成势垒V时,导体中有动能E的部分微粒子在E<V的条件下,可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。 产生隧道效应的原因是电子的波动性。按照量子力学原理,有能量(动能)E的电子波长=(其中,——普朗克常数;——电子质量;E——电子的动能),在势垒V前:若E>V,它进入势垒V区时,将波长改变为λ′=;若E<V时,虽不能形成有一定波长的波动,但电子仍能进入V区的一定深度。当该势垒区很窄时,即使是动能E小于势垒V,也会有一部分电子穿透V区而自身动能E不变。换言之,在E<V时,电子入射势垒就一定有反射电子波存在,但也有透射波存在。编辑本段原理 经典物理学认为,物体越过势垒,有一阈值能量;粒子能量小于此能量则不能越过,大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡,先用力骑,如果坡很低,不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高,不蹬自行车,车到一半就停住,然后退回去。 量子力学则认为,即使粒子能量小于阈值能量,很多粒子冲向势垒,一部分粒子反弹,还会有一些粒子能过去,好像有一个隧道,故名隧道效应(quantum tunneling)。可见,宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下,隧道效应并不影响经典的宏观效应,因为隧穿几率极小,但在某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。编辑本段发现者 1957年,受雇于索尼公司的江崎玲於奈(Leo Esaki,1940~)在改良高频晶体管2T7的过程中发现,当增加PN结两端的电压时电流反而减少,江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此后,江崎利用这一效应制成了隧道二极管(也称江崎二极管)。 1960年,美裔挪威籍科学家加埃沃(Ivan Giaever,1929~)通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。在此之前的1956年出现的“库珀对”及BCS理论被公认为是对超导现象的完美解释,单电子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充。 1962年,年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森(Brian David Josephson,1940~)预言,当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS(Superconductor-Insulator- Superconductor)时,电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层(厚度约为10埃)时发生了隧道效应,于是称之为“约瑟夫森效应”。 宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而穿透绝缘层,使器件无法正常工作。因此,宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。编辑本段用途 隧道效应本质上是量子跃迁,电子迅速穿越势垒。隧道效应有很多用途。如制成分辨力为0.1nm(1A)量级的扫描隧道显微镜,可以观察到Si的(111)面上的大元胞。但它适用于半导体样品的观察,不适于绝缘体样品的观测。在扫描隧道显微镜(STM)的启发下,1986年开发了原子力显微镜(AFM),其工作原理如图5所示。利用金刚石针尖制成以SiO2膜或Si3N4膜悬臂梁(其横向截面尺寸为100μm×1μm,弹性系数为0.1~1N/m),梁上有激光镜面反射镜。当针尖金刚石的原子与样品的表面原子间距离足够小时,原子间的相互作用力使悬臂梁在垂直表面方向上产生位移偏转,使入射激光的反射光束发生偏转,被光电位移传感器灵敏地探测出来。原子力显微镜对导体和绝缘体样品都适用,且其分辨力达到0.01mm(0.1A),可以测出原子间的微作用力,实现原子级表面观测。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191651_624047_1602049_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/200811517289_01_1602049_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2008115172816_01_1602049_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2008115172825_01_1602049_3.jpg[/img]