基本介紹
- 中文名：介觀
- 外文名：mesoscopic
- 定義：介於微觀和巨觀之間的狀態
- 定義人：Van Kampen
- 定義時間：1981年
- 套用學科：介觀物理學，凝聚態物理學
- 介觀尺度：在納米和毫米之間
簡介,概述,研究進展,介觀物理學,兩種散射弱局域電性,普適電導漲落,庫侖阻塞,超晶格中的量子隧穿,
簡介
概述
“介觀（mesoscopic）”這個辭彙，由VanKampen於1981年所創，指的是介乎於微觀和巨觀之間的狀態。因此，介觀尺度就是指介於巨觀和微觀之間的尺度；一般認為它的尺度在納米和毫米之間。介觀尺度常常在介觀物理學中被提到，而且在凝聚態物理學近年來發展中被廣泛套用。
研究進展
介觀體系一方面它們有我們熟悉的微觀屬性，表現出量子力學的特徵；可另一方面，它的尺寸又幾乎是巨觀的。一般來說，巨觀體系的特點是物理量具有自平均性：即可以把巨觀物體看成是由許多的小塊所組成，每一小塊是統計獨立的，整個巨觀物體所表現出來的性質是各小塊的平均值如果減小巨觀物體的尺寸，只要還是足夠大，測量的物理量，例如電導率，和系統的平均值的差別就很小。當體系的尺寸小到一定的程度，不難想像，由於量子力學的規律，巨觀的平均性將消失。人們原來一般認為這樣的尺寸一般是原子的尺寸大小，或者說晶體中一個晶格的大小，最多不過幾個晶格的尺寸大小。但是80年代的研究表明，這個尺度的大小在某些金屬中可以達到微米的數量級，並且隨著溫度的下降還會增加，它已經超出了人們的預料之外，屬於巨觀的尺寸大小。
因此，介觀物理是一個介於巨觀的經典物理和微觀的量子物理之間的一個新的領域。在這一領域中，物體的尺寸具有巨觀大小，但具有那些我們原來認為只能在微觀世界中才能觀察到的許多物理現象。因而介觀物理涉及量子物理、統計物理和經典物理的一些基本問題。在理論上有許多方面有待深入研究。從套用的角度看，介觀物理的研究一方面可以給出現有器件尺寸的減小的下限，這時候原來的理論分析方法如歐姆定律已經不再適用；另一方面，新發現的現象為製作新的量子器件也提供了豐富的思想，也許會成為下一代更小的積體電路的理論基礎。
介觀物理學
介觀物理學是物理學中一個新的分支學科。指得是介乎於微觀和巨觀之間的尺度。介觀物理學所研究的物質尺度和納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一領域的研究常被稱為“介觀物理和納米科技”。
對於微觀粒子，原則上可以對薛丁格方程進行嚴格的或近似的求解。對於巨觀物質的研究，則套用統計力學的方法，考慮大量粒子的平均性質。處於介觀尺度的材料，一方面含有大量粒子，因而對無法薛丁格方程的求解；另一方面，其粒子數又沒有多到可以忽略統計漲落的程度。這種漲落稱之為介觀漲落，是介觀材料的一個重要特徵。
除了試驗和技術上的重要套用外，介觀尺度在理論上是探索量子混沌現象的重要場所。混沌現象是巨觀經典力學中的普遍現象，但在量子世界中，還不能觀測到低激發態量子系統的混沌現象。介觀物理研究的物質處於量子體系的高激發態，其微觀性質和對應的巨觀力學性質有很大關聯。對應的巨觀力學系統行為不同的話（可積系統或是混沌系統），材料的微觀性質也會不同。這使得介觀物理成為研究量子混沌以及量子力學和經典力學過渡關係的重要領域。
下面來簡要地介紹一下介觀物理的特徵和介觀物理的一些新的物理現象。
兩種散射弱局域電性
我們都知道，在量子力學中，體系的狀態由波函式來描寫。波函式由振幅乘以一個相因子所組成，波函式與經典的波函式一樣，滿足疊加原理。波函式隨時間的演化由薛丁格方程所描述。因面微觀粒子有類似于波的一些現象：干涉、衍射等。
為什麼通常的物理測量中，與相位相關的相位特徵沒有被觀測到呢？這是因為通常的巨觀系統由大量的微觀粒子所組成，空間的尺度遠大於粒子的德布羅意波長。因此，這些粒子的波函式之間就缺乏足夠的相干性。於是，測量結果就是它們的平均值。例如，電子在原子內的運動滿足玻爾的量子化規律，即電子的動量與電子繞核的旋轉半徑的乘積只能是的整數倍，或者說電子繞原子核一周時電子相位的改變只能是的整數倍。這就是原子的玻爾量子化現象。但是，考慮一個導線繞成的一個圓環中運動的電子，由於電子在導線中運動時受到各種散射，電子在比圓環尺寸小得多的尺度上就已經失去了相干性，當然也就觀測不到類似於原子理論中玻爾的量子現象了。
當量子理論套用到固體中後，發展成了所謂的固體量子論。固體量子理論的一個歷史性的成功就是正確地指出晶體的電阻是因為晶體中無規則分布的雜質所引起的。這些雜質可以是晶體中的摻雜和缺陷、固體中的晶格振動（稱為聲子）。雖然，對每一個電子的散射是波的散射，但是由於雜質的分布是無規則的，所以一般不考慮散射波之間的相干性，從而可以把電子當作有一定動量和位置的經典粒子來處理，描寫晶體的電阻一般是用相空間中的玻爾茲曼方程。
在電子的輸運過程中，把一個波矢為的電子散射為的粒子稱為背向散射。背向散射在電子的輸運過程中起重要的作用。對於具有時間反演性的散射勢而言，儘管各次散射是無規的，但是在波矢空間中，散射途徑與的散射振幅卻總是相干的。兩個相干的波函式的疊加的絕對值的平方總是大於各自的絕對值的平方相加。因而這時如果不考慮電子的散射的相位的相干性就會導致與實驗不一到的結果。因而這種背向散射將對傳統的電導以及輸運理論作出修正。維度越低，背向散射越重要。
弱局域化的研究，特別是弱局域化電性的研究，使人們認識到彈性散射與非彈性散射的本質區別。如果載流子經過彈性散射，如雜質散射，儘管散射過程很複雜，但是散射擊前後散射波的相位還有確切的關係。因而保存了原來的相位記憶，或者說彈性散射不破壞波函式的相干性。非彈性散射則不同，非彈性散射前後，能量改變，我們知道，能量是和相位（頻率）相聯繫的，因而非彈性散射帶來了波函式相位的無規變化，從而破壞了散射波的相干性。這樣，載流子的非彈性散射的平均距離定義了一個有物理意義的尺度，稱為相位相干長度。在文獻上，把尺度相當於或小於相位相干長度的小尺寸體系稱為介觀體系。
普適電導漲落
80年代中期，實驗發現小的金屬樣品，在低溫下電導作為磁場的函式呈現非周期的漲落。下圖列出幾個有代表性的結果。其中，a和b分別為電導隨磁場的變化的漲落，c為電導隨柵壓的漲落。在金屬性介觀樣品中所觀察到的這種漲落具有如下特徵：
1）這是與時間無的非周期漲落，因而它們不是由於熱噪聲。
3）電導漲落的一個最重要的特徵是澆落的大小是量級為的普適量。它與樣品質的材料、尺寸、無序程度、電導平均值的大小無關。只要樣品是介觀大小的，並處於金屬區。理論研究還表明，電導漲落的大小與樣品形狀及空間維數只有微弱的依賴關係。正是由電導漲落的這種間適性，所以才稱之為普適電導漲落。
從物理上看，普適電導漲落來源於介觀體系中的量子干涉效應。根據Laudauer理論，電導正比於總透射幾率。從樣品一邊到另一邊的透射幾率是由許許多多的費曼路徑的相應的幾率幅之和。在金屬區電子通過樣品時經歷多次與雜質散射，其費曼路徑是無規行走的準經典的軌道。不同的費曼路徑之間的相位差是不規則的，導到隨機干涉效應，使電導呈現非周期性的不規則漲落。同時，電導漲落的大小是，這是明顯不符合統計力學的規律的。
庫侖阻塞
帶電粒子，在電場的作用下定向運動，從而形成電流。在多體帶電體系中，由於庫侖作用，帶電粒子處於兩種電場中：一是形成定向運動的外電場，二是粒子之間的庫侖相互作用。考慮分立的多體帶電系統，這時形成電流是由於帶電粒子的隧道效應，從分立的一部分到達分立的另一部分。理論預言，電流一定條件下會中斷。這就是所謂的庫侖阻塞。這是一種帶電粒子的關聯現象。只要電荷達到閾值理，庫侖阻塞就會發生。考慮一個外結電源，只要電源能夠提供足夠的電荷，當經過一定的時間後，電荷會再次超過閾值，從而隧道又得以導通，接著又達到閾值，阻塞又發生，如此往復，就會產生所謂的直流音電子隧道振盪。從而可望獲得對單電子的控制。
超晶格中的量子隧穿
隧穿現象是一種垂直於因品格異質結界面的電子輸運過程，它是超品格中電子態研究的一個基本環節。在隧穿問題的研究中，人們最感興趣的是雙勢壘諧振隧穿效應。所謂諧振隧穿是指當電子接連隧穿過兩個靠得很近的勢壘時，隧穿幾率隨入射電子能量的變化會出現致個極大值。對於具有對稱雙勢壘結構，發生諧振時的電子最大隧穿幾宰等於1，即對稱雙勢壘對某些能量的入射電於是完全透明的、發生諧振睡穿的物理機制來自於兩個勢壘之間的勢阱內電子能量的量子化。當入射電子能量等於勢阱中電子的量子化能級時，諧振現象發生。
諧振隧穿二極體中的電子輸運
一個典型的諧振隧穿二級管是由兩個極薄勢壘和一個勢阱構成的雙勢壘異質結構。在實際的器件中、入射電子的能量是固定的、它決定於發射區中電子的狀態，量子阱中的量子能級也具有確定的值。為了使諧振隧穿發生，可在器件上加一電壓，此時勢壘上的電壓降改變了量子階中量子能級與發射區費米能級之間的相對高度、於是在器件的J一丫持性曲線上便可反映出諧振隧穿的存在。在器件上加一電壓後便有隧穿電流產生．當電壓正好使得入射電子的能量等於勢阱中的量於能級時，諧振現象發生，隧穿電流出現極大值。如果外加電壓進一步增大．對應於量於阱中能量更高的量子能級，有可能再次發生諧振隧穿，J—v曲線上會再次出現電流的峰值。這種典型的負微分電阻效應．是電子垂直於雙勢壘層作一維運動時所必然出現的結果。負微分電導現象向人們展示了諧振隧穿二極體在毫米波和亞毫米波領域具有良好的套用前景。
諧振隧穿三級管中的電子輸運
另一種諧振隧穿器件是只有一種載流於的單極型諧振隧穿三級管。在這種結構中、基區處於雙勢壘區外側，在基區與收集區之間有一個低勢壘層，三個區域都是N型材料，這種器件在液氮溫度下顯示了很高的峰谷比和高額特性。
更為值得一提的是多重態三極瞥，採用這種結構可以發展多種邏輯線路，從而使得電子線路大為簡化，即用少數幾個器件就能代替較複雜的線路來完成某種功能，因而可以大大簡化線路的複雜性，縮小電路尺寸，提高運算速度。在這種瞪穿器件中，對應於量子阱中的多個量子能級．在J—V待性曲線上將出現多個諧振峰。
超品格器件中的電子輸運
在超品格中，電子在單個量子阱中形成一定的量子能級。超品格內相鄰量子阱中的量於能級通過它們之間的薄勢壘層有一較弱的耦合，因而每一量子能級擴展成一個能帶。由於耦合很弱，形成的能帶較窄，稱作於能帶。設電子的能量為Eb超。品格周期為d，於能頻寬度為D。電場強度為E，平均漂移速度有極大值。當E進一步增大時，速度反而減小。即使有散射存在，在超品格的J—v曲線中，最初電流隨電壓的增加而增大，當電壓使得電場達到閾值時，電壓的進一步增加反而使電流減小。出現負的動態電阻。隨著電壓不斷增大，還可能出現多個電流峰值和多個負阻區間。從理論上講，如果完全不存在散射，電子的運動無淪在速度空間或動量空間都可能表現出振盪行為。這一現象稱為布洛赫振盪，對應於布洛赫振盪的電子輸運過程也是一種負微分電導現象。
