第1章引言


1.1凝聚態(tài)物理學(xué)簡介


世紀(jì)初，隨著量子力學(xué)的建立和發(fā)展，固體物理學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展也迅速。固體物理學(xué)(Solid State Physics)是依據(jù)物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)和原子結(jié)構(gòu)來理解固體物質(zhì)的各種性質(zhì)和規(guī)律，主要內(nèi)括結(jié)構(gòu)晶體學(xué)、晶格動力學(xué)、固體能帶理論、固體磁性理論等，涉及力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)以及電磁學(xué)等學(xué)科內(nèi)容。固體物理學(xué)研究的對象是固態(tài)物質(zhì)括晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體、納米材料、團(tuán)簇材料和超晶格等。固體物理學(xué)的發(fā)展推動了材料學(xué)科的發(fā)展，不同的新型材料被不斷發(fā)現(xiàn)和合成研制出來。固體物質(zhì)既可以看成是力學(xué)系統(tǒng)又可以看成是熱學(xué)系統(tǒng)或者電磁系統(tǒng)。地，組成固體的微觀粒子（原子)又必須服從量子力學(xué)的基本規(guī)律。固體物質(zhì)中擁有的電性質(zhì)、光性質(zhì)、熱性質(zhì)和磁性質(zhì)等各種物理性質(zhì)對于社會的發(fā)展起到了重要的作用。


世紀(jì)70～80年代，是80年代之后，凝聚態(tài)物理學(xué)（Condensed Matter Physics）作為固體物理學(xué)的向外延拓逐漸發(fā)展起來。作為研究對象的凝聚態(tài)物質(zhì)不括固體物質(zhì)，括如液態(tài)金屬、液晶等液態(tài)物質(zhì)以及玻色-愛因凝聚的玻色氣體和量子簡并的費(fèi)米氣體等氣體物質(zhì)，涵蓋了行空間和動量空間兩個(gè)子空間的凝聚態(tài)[1.2]。凝聚態(tài)物理學(xué)是通過研究構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)的電子、離子、原子及分子的運(yùn)動形態(tài)和規(guī)律，從而認(rèn)識其物理性質(zhì)的學(xué)科，涵蓋了實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算等方向。在凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展的過程中，許多的物理學(xué)家如郎道爾（Landau)、安德森(Anderson)、費(fèi)米（Fermi)、海森伯(Heierg)、近藤(Kondo)、威爾遜（Wilson)等都在相關(guān)領(lǐng)域做出了較大貢獻(xiàn)。許多的基本概念被澄清和提煉，并論述了新的重要的凝聚態(tài)物理概念，如對稱破缺、元激發(fā)、絕熱連續(xù)等。


凝聚態(tài)物理的發(fā)展也推動了材料科學(xué)、量子化學(xué)和生物科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。在交叉學(xué)科領(lǐng)域中，比較復(fù)雜也富有成效的研究成果和重展也逐步吸引了物理學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家和材料科學(xué)家們的高度關(guān)注。通過物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀研究來揭示凝聚態(tài)物質(zhì)的相關(guān)特性和規(guī)律。由描述微觀粒子的量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理相結(jié)合是鏈接復(fù)雜宏觀和微觀凝聚態(tài)物質(zhì)的有效手段。凝聚態(tài)物質(zhì)因其涉及從米到納米的長度范圍，涌現(xiàn)出許多新奇的物理現(xiàn)象和相關(guān)物理規(guī)律，如高溫超導(dǎo)、巨磁阻效應(yīng)、納米介觀輸運(yùn)和新型納米半導(dǎo)體材料等正在被逐漸探索和發(fā)現(xiàn)。


1.2介觀體系簡介


1.2.1介觀體系


世紀(jì)40年代末，肖克利（W.B.Shockley)、約翰·巴丁(John.Bardeen)和沃爾特·布拉頓（Walter.Brattain)發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管，引發(fā)了半導(dǎo)體器件的巨大革命。到了80年代，人們已經(jīng)可以將器件做到一微米以內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)的尺度小到能與電子的德布羅意波長或者電子的相位相干長度相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，系統(tǒng)的行為將由量子力學(xué)規(guī)律所。系統(tǒng)在這個(gè)尺度以內(nèi)將表現(xiàn)出各種不同于經(jīng)典物理的特征，被稱為介觀（Mesoscopic)體系。“介觀”的概念由范坎彭（VanKampen)于1981年提出，是一個(gè)與宏觀和微觀概念相對應(yīng)的概念。介觀體系是指尺度介于微觀和宏觀之間的體系，介觀體系的尺度是載流子保持相位記憶的長度，一般在納米和毫米之間[3，4]。


介觀體系是一種表征粒子量子行為的特征長度的系統(tǒng)，表現(xiàn)出的物理現(xiàn)括兩類：一類是與波函數(shù)相位有關(guān)的量子力學(xué)效應(yīng)。介觀體系呈現(xiàn)明顯的波動性，不再具有其物理量相對漲落的大小隨著體系尺度的增大而趨于零的性質(zhì)。另一類是與小的樣品尺及非彈性散射減弱、熱平衡變慢有關(guān)的統(tǒng)計(jì)物理效應(yīng)。電子被視為經(jīng)典粒子的經(jīng)典輸運(yùn)理論，只考慮了電子間的庫侖相互作用所導(dǎo)致的電子間的散射、聲子對電子的散射以及雜質(zhì)對電子的散射等效應(yīng)，而忽略了表征電子量子相干性的相位。在介觀體系中，系統(tǒng)的尺與電子的相位相干長度可比擬。此時(shí)，電子的量子相干性對于介觀體系就變得很重要，經(jīng)典輸運(yùn)理論就不再適用，必須用量子力學(xué)的基本原理處理該體系中的電子輸運(yùn)問題。


1.2.2量子點(diǎn)體系


自世紀(jì)80年代以來，隨著分子束外延技術(shù)步及光學(xué)和電子束納米微刻技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)工作者們已經(jīng)能夠基于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)制造出具有高電子遷移率的亞微米尺度的器件。在毫開爾文(milli kelvins)的低溫下，結(jié)構(gòu)中電子的相位相干長度可達(dá)到微米級以上，這些結(jié)構(gòu)已經(jīng)超過了微觀結(jié)構(gòu)的尺度，入介觀系統(tǒng)。在這些低維介觀體系中由于維度和尺的減小，電子的性質(zhì)由量子力學(xué)規(guī)律來支配。是90年代以來，人們對低維介觀量子點(diǎn)體系(Quantum Dots)中相關(guān)特性的實(shí)驗(yàn)和理論研究取得了一系列重展，這極大地深化了人們對相互作用介觀體系的相關(guān)性質(zhì)和行為的認(rèn)識。


自從量子點(diǎn)設(shè)備在二維電子氣制備以來，就逐漸成了介觀物理世界中重要的研究對象之一[5.6]。由于具有納米級的物理尺度，量子點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)的新奇的量子物理現(xiàn)象和特性被廣泛地應(yīng)用于光電子技術(shù)、信息科學(xué)、記憶存儲和量子計(jì)算等現(xiàn)代高科技領(lǐng)域。目前，量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)作為研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體問題的理想平臺逐漸受到實(shí)驗(yàn)和理論工作者的關(guān)注。是隨著半導(dǎo)體器件加工工藝和技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)學(xué)家逐漸在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)制備了可調(diào)控參數(shù)的多量子點(diǎn)體系。這為實(shí)驗(yàn)上深入研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體問題提供了可能，同時(shí)也為納米尺度的元器件的開發(fā)提供了基礎(chǔ)。