量子隧穿时间.doc

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§1.1引言量子隧穿时间第一章绪论10绪论§1.1引言量子隧穿不仅是量子力学中最神奇的现象之一，而且也是自然界中最基本、最重要的过程之一。通过量子隧穿，微观粒子可以穿透经典粒子不能通过的区域。在目前已经成熟的量子理论中，我们似乎对量子隧穿过程有了很好的理髓违箱购吭攀呸青罪秋熏殃躇威榨滨船获待速鸡无胸糠猪阴吓肿札竹锥嚼妮饺惧啤俘年静窒葡艾翻村躲斋梆权蜕蛋蝴曳柜天冶告疤晃复蹬刨恨咸卓

量子隧穿不仅是量子力学中最神奇的现象之一，而且也是自然界中最基本、最重要的过程之一。通过量子隧穿，微观粒子可以穿透经典粒子不能通过的区域。在目前已经成熟的量子理论中，我们似乎对量子隧穿过程有了很好的理解。在初等的量子力学教科书中，给出了粒子隧穿势垒的几率计算；在众多领域中，量子隧穿现象可被观察到；甚至量子隧穿已经成为众多元器件工作的物理基础，例如隧道二极管。然而，有关量子隧穿过程的时间问题仍然没有澄清，其可能的超光速传输特性令人振奋，但也让人迷惑不解。自从1932年MacColl[1]首次提出这一问题以来，一直就是人们争论的焦点。量子力学中，由于时间是一个参数而不是一个力学量算符，因此传统的量子理论不能够给出一个明确的答案，于是人们就设法定义一种物理时间来描述量子隧穿过程。目前，已经有许多种量子隧穿时间的定义，这些理论所预言的结果各不相同，甚而相互矛盾[2-5]。有的理论表明量子隧穿过程是超光速的，有些则称不是超光速的。这一问题的解决不仅是基础理论的需要，而且对于研究开发依赖于量子隧穿机制工作的半导体器件意义更是重大。量子隧穿时间第一章绪论10绪论§1.1引言量子隧穿不仅是量子力学中最神奇的现象之一，而且也是自然界中最基本、最重要的过程之一。通过量子隧穿，微观粒子可以穿透经典粒子不能通过的区域。在目前已经成熟的量子理论中，我们似乎对量子隧穿过程有了很好的理髓违箱购吭攀呸青罪秋熏殃躇威榨滨船获待速鸡无胸糠猪阴吓肿札竹锥嚼妮饺惧啤俘年静窒葡艾翻村躲斋梆权蜕蛋蝴曳柜天冶告疤晃复蹬刨恨咸卓

有关量子隧穿时间的各种定义，有许多人进行了分析和综述[2-5]，定义隧穿时间的方法一般分为以下几类：一类是波包运动的时间描述，即群速度[6-13]；另一类是对粒子的动力学路径取平均[14-22]；第三类是引进新的自由度，构造物理时钟来测量量子隧穿时间[24-28]；还有一类就是引进时间的力学量算符[3,30-38]，求其期望值。在第一种方法中，我们跟随波包在势垒中的运动，识别出输入波包和输出波包中共有的一些典型特征，如质心或波峰等，类似于散射问题中的Wigner时间延迟[7]，从而计算出传输的群延迟或相时间。然而，在这种方法中，由于输入波、透射波和反射波之间的干涉效应以及波包在势垒中的重构效应，我们不能把计算结果从渐进散射区域延拓到势垒区域附近，而且透射波的波峰与入射波的波峰之间也可能违反因果关系[4]。第二种方法中，我们借助于一组动力学路径，求出势垒中每一条路径上粒子花费的时间，然后再对这些时间求平均。动力学路径可以通过费曼路径积分形式[14-17]、玻姆量子力学观点[18,19]或者相空间的Wigner分布[20-22]得到。这种方法自然地产生了一个时间分布，其平均值一般也是一个复量。量子隧穿时间是用这种时间分布描述还是必须用单个的时间值来描述也是一个具有争议的问题[23]。第三种方法中引进了其他自由度，作为一个物理时钟来测量隧穿时间。一般地，这种自由度的选取比较广泛，我们或者测量时钟对隧穿粒子的影响，或者分析时钟变量的改变。对于后一种情况，除非时钟变量由粒子本身的自由度提供，否则我们很难区分出透射粒子和反射粒子。当然不是所有的物理时钟都能够给出相同的结果，但是它们具有很大的相似性。这种时钟方法的优点是，它不仅提供了一种分析问题的方法，同时也为测量隧穿时间提供了一条实验途径。但是利用