量子效应是指在极小尺度下的物理现象,只有在微观领域才能显著地观察到。以下是一些具有量子效应的物质:
1. 电子:电子是具有量子效应的基本粒子,其行为受到量子力学的支配,例如电子的波粒二象性、量子隧穿效应等。
2. 光子:光子是电磁波的量子,具有波粒二象性,例如光的干涉、衍射和偏振等现象都是基于光子的量子效应。
3. 原子和分子:原子和分子的电子结构也受到量子力学的支配,例如原子的能级结构、分子的光谱等现象都是基于量子效应的。
4. 超导体:超导体在极低温度下表现出电阻为零的现象,这是由于超导体内电子之间的量子效应导致的。
5. 磁性材料:磁性材料在极低温度下表现出量子自旋霍尔效应等量子效应。
6. 量子点:量子点是一种纳米尺度下的半导体材料,由于其尺寸与电子波长相当,因此具有量子效应,例如量子点的发光、吸收等现象都是基于量子效应的。
量子效应
大量粒子组成的整体量子现象
量子效应是在超低温等某些特殊条件下,由大量粒子组成的宏观系统呈现出的整体量子现象。而量子系统即是其中微观粒子呈现出波动性的系统。表现出显著量子效应的量子系统称为是简并(退化)的系统,相应的特征温度称为简并温度(退化温度)。
基本信息
中文名
量子效应
外文名
Quantum benefit
适用领域
量子物理
理论简介
根据量子理论的波粒二象性学说,微观实物粒子会像光波水波一样,具有干涉、衍射等波动特征,形成物质波(或称德布罗意波)。但日常所见的宏观物体,虽然是由服从这种量子力学规律的微观粒子组成,但由于其空间尺度远远大于这些微观粒子的德布罗意波长,微观粒子量子特性由于统计平均的结果而被掩盖了。因此,在通常的条件下,宏观物体整体上并不出现量子效应。然而,在温度降低或粒子密度变大等特殊条件下,宏观物体的个体组分会相干地结合起来,通过长程关联或重组进入能量较低的量子态,形成一个有机的整体,使得整个系统表现出奇特的量子性质。例如,原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚、超流性、超导电性和约瑟夫逊效应等都是宏观量子效应。
应用实例
微观粒子呈现出波动性,即粒子的“轨道”已经失去了意义——轨道发生了弥散(模糊);当弥散的轨道在空间发生一定的重叠时,各个粒子的几率分布也有一定的关联——量子关联。因此可以认为产生量子效应的条件是:
①粒子的de Broglie波长>>粒子的平均间距时,系统即为量子系统。根据de Broglie波长l=h/(2mE)关系,知道:粒子的质量越小、能量越低、分布密度越大的系统,越容易呈现出量子效应。
②量子关联长度>粒子的平均间距时,系统即为量子系统。这时粒子的位置x与动量p不能同时确定,位置的不确定度Δx即可认为是量子关联长度;温度T是影响动量不确定度Δp的一个因素:由自由粒子的平动动能p/2m=3kT/2,得动量不确定度Δp≈(3mkT),则位置的不确定度(量子关联长度)Δx≈h/(3mkT)。从而见到:温度越低、粒子质量越小、粒子分布密度越大的系统,越容易呈现出量子效应。量子系统的能量是不连续(量子化)的。