KVANTNE IN RA UNALNIäKE TEHNOLOGIJE

Transkripcija

1 Rok éitko KVANTNE IN RA UNALNIäKE TEHNOLOGIJE DMFA zaloûniötvo Ljubljana 2017

2 CIP Kataloûni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjiûnica, Ljubljana (075.8) éitko, Rok, 1978 Kvantne in ra unalniöke tehnologije / Rok éitko. Ljubljana: DMFA zaloûniötvo, (Zbirka izbranih poglavij iz fizike, ISSN ; 51) ISBN

3 Predgovor Namen u benika je dodiplomskim ötudentom naravoslovnih in tehni nih ved z osnovnim znanjem matematike in fizike predstaviti osnove kvantne mehanike in fizike trdnih snovi, ter tako omogo iti razumevanje delovanja in izdelave sodobnih in prihajajo ih ra unalniökih in komunikacijskih naprav, senzorjev in bodo ih kvantnih tehnologij. Nivo obravnave osnovnih pojavov in zakonitosti je dokaj podroben, vendar brez strogih dokazov in dolgih izpeljav. Kljub potrebi po vpeljavi ötevilnih novih matemati nih pojmov, predvsem pri obravnavi kvantne teorije, je poudarek na fizikalnih pojavih in njihovi interpretaciji, manj pa na matemati nem formalizmu. Pomembni pojmi so zapisani v nagnjeni pisavi, ko se pojavijo prvi. 3

4

5 Kazalo 1 Nihanje in valovanje Sistem, stanje, ena be gibanja Nihanje Kristalni oscilatorji Linearnost Eulerjeva ena ba in polarni zapis O merjenju in merilnikih Sklopljeni nihali in problem lastnih vrednosti Valovanje Valovna funkcija Izpeljava valovne ena be Ravni val Struna Na elo superpozicije Interferenca Youngov poskus Utripanje in valovni paket Snov in sevanje Zgodovinski pregled do za etka 20. stoletja Za etek moderne fizike Kvantna polja Dualnost delec-valovanje Standardni model in osnovni delci Fermioni Bozoni Temna snov in temna energija Ohranitev naboja in umeritvene simetrije Svetloba Toplotno sevanje Foton Fotoefekt Sevalni tlak

6 6 Kazalo 2.15 Comptonovo sipanje Kvantna mehanika Vektorski prostor Skalarni produkt Bra-ket (Diracov) zapis Hilbertov prostor Dvonivojski sistem Spin Sternov in Gerlachov eksperiment Verjetnostna interpretacija Meritve v klasi ni in v kvantni mehaniki Opazljivke in operatorji Hermitska konjugacija Operatorji za spin Lastna stanja, lastne vrednosti Bornovo pravilo Faze verjetnostnih amplitud Kubit Kolaps valovne funkcije Preizkuöevalec bomb Izrek o prepovedi kloniranja Schrödingerjeva ena ba in stacionarna stanja Dinamika dvonivojskega sistema Kvantno ra unanje in komuniciranje Klasi ni ra unalniki Kvantni ra unalniki Sestavljeni sistemi in tenzorski produkt Sistem ve kubitov Meritve v ve kubitnih sistemih Bellova stanja in kvantna prepletenost Unitarnost in asovni potek Kvantna vezja Enokubitna kvantna vrata Ve kubitna kvantna vrata Holevov izrek Supergosto kodiranje Kvantna teleportacija Kvantni paralelizem Shorov algoritem Groverjev algoritem

7 Kazalo 7 5 Kvantni delci De Brogliejeva zveza Valovna funkcija Schrödingerjeva ena ba za valovno funkcijo Operatorji za valovne funkcije Prosti delec in ravni val Operator gibalne koli ine in tok delcev Delec v potencialu Vezana stanja Potencialne jame Neskon no globoka kvadratna potencialna jama Kon no globoka kvadratna potencialna jama Paraboli na potencialna jama (kvantno harmoni no nihalo) Gibanje elektronov skozi prepreke Potencialni skok Potencialna plast Tunelski pojav Kvantna nedolo enost Merske napake Interferenca in uklon Verjetnostna gostota Heisenbergova neena ba Nedolo enost za vezana stanja Zdruûljivost in komplementarnost Kvantna radirka Bellova neena ba in njena kröitev v kvantni mehaniki Kvantni ra unalniki Dekoherenca Kvantno odpravljanje napak Ioni v elektromagnetni pasti Magnetna resonanca SQUID Superprevodnost Josephsonov pojav SQUID in kubit na osnovi fluksa Kvantne pike Drugi predlogi Elektronska mikroskopija Vrsti ni elektronski mikroskop (SEM) Transmisijski elektronski mikroskop (TEM) Vrsti ni tunelski mikroskop (STM)

8 8 Kazalo 9 Elektroni v snovi Bohrov model atoma Atomske orbitale Periodni sistem Kemijske vezi Ionska vez Kovalentna vez Kristali Ra unska kemija Dolo anje kristalne strukture Struktura elektronskih pasov Kovine Model prostih elektronov Gostota stanj Fermi-Diracova porazdelitev Gibanje elektrona v zunanjem polju Transportni pojavi, susceptibilnost Ohmov zakon Difuzijsko prevajanje Kvantno koherentno prevajanje Polprevodniki in izolatorji Intrinzi ni polprevodniki, vrzeli Temperaturna odvisnost gostote nosilcev naboja Gibljivost in prevodnost Dopirani polprevodniki Polprevodnik n Polprevodnik p Magnetni polprevodniki Izolatorji Topoloöki izolatorji Polprevodniöke naprave Hallova sonda Fotoprevodnik Dioda Fotodioda Svetle a dioda Tranzistor na u inek polja Tehnologija CMOS Laser Stimulirano sevanje Polprevodniöki laser Koherenca

9 Kazalo 9 13 Heterostrukture Izdelava heterostruktur Heterospoj p-n Nizkodimenzionalne strukture Dvodimenzionalni sistemi Enodimenzionalni sistemi Kvantna jama Kvantna ûica Kvantna pika Kvantni Hallov pojav Laserji iz heterostruktur Nanotehnologija Prevodnost nanoskopskih naprav Kvantni to kovni stik Enoelektronski tranzistor Sklopljene kvantne pike Grafen Ogljikove nanocevke Molekularna elektronika Magnetizem Magnetno polje Feromagnetizem Feromagnetni materiali Magnetna anizotropija Spintronika Magnetoupornost Spinski ventil Spinski tranzistor Hranjenje podatkov Magnetni pomnilniki: trdi diski in magnetni trakovi Superparamagnetna meja Magnetne ploö e Bralno pisalna glava Trajnost zapisa na magnetnih nosilcih Polprevodniöki trajni pomnilniki Opti ni pomnilniki Spintronski pomnilniki: MRAM Prihajajo e tehnologije

10