量子計量學導論：修訂的SI和量子標準（第2版）

目 錄
第１章 量子計量學理論基礎 ????????????????????????? １
１?１ 簡介 ???????????????????????????????? １
１?２ 薛定諤方程和泡利不相容原理 ????????????????????? ２
１?３ 海森堡不確定性原理 ????????????????????????? ４
１?４ 測量分辨力極限 ??????????????????????????? ６
參考文獻 ????????????????????????????????? ８
第２章 度量、標準和單位制 ????????????????????????? ９
２?１ 計量體系的歷史 ??????????????????????????? ９
２?２ １９６０年的國際單位制 (SI)?????????????????????? １２
２?３ 長度的計量和標準 ?????????????????????????? １４
２?４ 質量的計量和標準 ?????????????????????????? １７
２?５ 時鐘和時間的計量 ?????????????????????????? １９
２?６ 溫標 ???????????????????????????????? ２３
２?７ 電學量的標準 ???????????????????????????? ２７
參考文獻 ???????????????????????????????? ３０
第３章 新的單位制———２０１８年的國際單位制 ????????????????? ３１
３?１ 向新單位制發(fā)展 ??????????????????????????? ３１
３?２ 用于SI的基本物理常數 ??????????????????????? ３３
３?３ 千克、安培、開爾文和摩爾的新定義提案 ???????????????? ３５
３?３?１ 千克的新定義提案 ???????????????????????? ３５
３?３?２ 安培的新定義提案 ???????????????????????? ３６
３?３?３ 開爾文的新定義提案 ??????????????????????? ３７
３?３?４ 摩爾的新定義提案 ???????????????????????? ３８
３?４ ２０１８年的SI ???????????????????????????? ３９
３?４?１ 定義 ?????????????????????????????? ３９
３?４?２ 單位 ?????????????????????????????? ４０
３?４?３ 有關２０１８年SI的討論 ?????????????????????? ４２
目 錄
?Ⅵ?
３?５ 在SI中安培和其他電學單位定義的實際復現 ?????????????? ４４
３?５?１ 簡介 ?????????????????????????????? ４４
３?５?２ 安培的實際復現 ????????????????????????? ４４
３?５?３ SI電學導出單位的實際復現???????????????????? ４５
３?５?４ 磁導率μ０ 及相關量 ??????????????????????? ４７
３?６ SI千克定義的實際復現???????????????????????? ４７
３?６?１ 千克的定義 ??????????????????????????? ４７
３?６?２ 通過比較電功率和機械功率來實際復現千克 ????????????? ４８
３?６?３ 用 X射線單晶硅密度法實際復現千克???????????????? ４９
３?７ SI開爾文定義的實際復現??????????????????????? ５０
３?７?１ 開爾文的定義 ?????????????????????????? ５０
３?７?２ 通過原級測溫實際復現開爾文 ??????????????????? ５１
３?７?３ 聲學氣體測溫 ?????????????????????????? ５２
３?７?４ 輻射測溫 (１２３５K 及以上) ??????????????????? ５２
３?７?５ 極化氣體測溫 ?????????????????????????? ５２
３?８ SI摩爾定義的實際復現???????????????????????? ５４
３?８?１ 摩爾的定義 ??????????????????????????? ５４
３?８?２ 以小不確定度實際復現摩爾定義 ????????????????? ５５
３?９ 量子計量三角形和金字塔 ??????????????????????? ５７
參考文獻 ???????????????????????????????? ６２
第４章 量子電壓標準 ??????????????????????????? ６４
４?１ 超導 ???????????????????????????????? ６４
４?１?１ 超導材料 ???????????????????????????? ６４
４?１?２ 超導理論 ???????????????????????????? ６６
４?１?３ 超導體的特性 ?????????????????????????? ６６
４?２ 約瑟夫森效應 ???????????????????????????? ６８
４?３ 約瑟夫森結 ????????????????????????????? ７１
４?４ 電壓標準 ?????????????????????????????? ７４
４?４?１ 基于惠斯頓電池的電壓標準 ???????????????????? ７４
４?４?２ 直流電壓約瑟夫森標準 ?????????????????????? ７５
４?４?３ 交流電壓約瑟夫森標準 ?????????????????????? ７７
４?４?４ 華沙中央計量局 (GUM)的電壓標準 ??????????????? ８０
４?４?５ GUM 標準和 BIPM 標準的比對 ?????????????????? ８２
４?４?６ 精密比較儀電路 ????????????????????????? ８３
量子計量學導論———修訂的SI和量子標準 (第２版)
?Ⅶ?
４?５ 超導數字電路 ???????????????????????????? ８４
４?５?１ 半導體數字電路的未來發(fā)展 ???????????????????? ８４
４?５?２ 具有約瑟夫森結的數字電路 ???????????????????? ８４
４?６ 約瑟夫森結的其他應用 ???????????????????????? ８７
４?６?１ 壓頻轉換器 ??????????????????????????? ８７
４?６?２ 太赫茲輻射源 ?????????????????????????? ８８
參考文獻 ???????????????????????????????? ８９
第５章 SQUID磁通檢測器 ????????????????????????? ９１
５?１ 磁通的量子化 ???????????????????????????? ９１
５?２ RF SQUID ???????????????????????????? ９４
５?２?１ RF SQUID等式 ???????????????????????? ９４
５?２?２ RF SQUID測量系統(tǒng) ?????????????????????? ９５
５?３ DC SQUID ???????????????????????????? ９７
５?３?１ DC SQUID等式 ???????????????????????? ９７
５?３?２ DC SQUID的能量分辨力和噪聲 ???????????????? １０２
５?３?３ DC SQUID的參數 ?????????????????????? １０４
５?４ DC SQUID測量系統(tǒng) ??????????????????????? １０５
５?４?１ 測量系統(tǒng)的運行 ???????????????????????? １０５
５?４?２ 輸入回路 ??????????????????????????? １０６
５?４?３ 雙SQUID測量系統(tǒng)??????????????????????? １０８
５?４?４ 附加正反饋的SQUID測量系統(tǒng)?????????????????? １０９
５?４?５ 數字SQUID測量系統(tǒng)?????????????????????? １１０
５?５ 納米SQUID ???????????????????????????? １１１
５?５?１ 磁信號和干擾 ????????????????????????? １１３
５?５?２ 生物磁研究 ?????????????????????????? １１４
５?５?３ 材料的無損檢測 ???????????????????????? １１７
５?６ SQUID噪聲測溫 ?????????????????????????? １１８
５?６?１ R SQUID噪聲溫度計 ????????????????????? １１８
５?６?２ DC SQUID噪聲溫度計 ???????????????????? １２１
５?６?３ SQUID的其他應用 ??????????????????????? １２２
參考文獻 ???????????????????????????????? １２４
第６章 量子霍爾效應和電阻基準 ?????????????????????? １２７
６?１ 霍爾效應 ????????????????????????????? １２７
６?２ 量子霍爾效應 ??????????????????????????? １２８
目 錄
?Ⅷ?
６?２?１ 二維電子氣電子器件 ?????????????????????? １２８
６?２?２ 量子霍爾效應的物理基礎 ???????????????????? １２９
６?２?３ QHE樣品 ??????????????????????????? １３１
６?２?４ 石墨烯中的量子霍爾效應 ???????????????????? １３３
６?３ 華沙中央計量局 (GUM)的傳統(tǒng)電阻標準的測量裝置 ?????????? １３４
６?４ 量子標準測量系統(tǒng) ????????????????????????? １３８
６?５ SI電阻的量子標準 ????????????????????????? １４０
參考文獻 ???????????????????????????????? １４２
第７章 納米結構中電導和熱導的量子化 ??????????????????? １４３
７?１ 電導理論 ????????????????????????????? １４３
７?２ 宏觀和納米尺度結構 ???????????????????????? １４６
７?３ 納米結構電導量子化的研究 ????????????????????? １４８
７?３?１ 納米結構的形成 ???????????????????????? １４８
７?３?２ 動態(tài)形成納米線的測量 ????????????????????? １４９
７?４ 用電導量子化測量納米結構的幾何尺寸 ???????????????? １５１
７?４?１ 方法 ????????????????????????????? １５１
７?４?２ 技術條件 ??????????????????????????? １５１
７?５ 納米結構熱導量子化 ???????????????????????? １５２
７?６ 納米結構電導量子化對科技的影響 ?????????????????? １５３
參考文獻 ???????????????????????????????? １５６
第８章 單電子隧穿 ???????????????????????????? １５８
８?１ 電子隧穿 ????????????????????????????? １５８
８?１?１ 隧穿現象 ??????????????????????????? １５８
８?１?２ 單電子隧穿理論 ???????????????????????? １５９
８?２ SET 結電子電路 ?????????????????????????? １６０
８?２?１ SETT 晶體管 ????????????????????????? １６０
８?２?２ 電子泵和旋轉柵器件 ?????????????????????? １６１
８?３ 利用電子泵的量子電流標準 ????????????????????? １６３
８?４ 基于電子計數的電容標準 ?????????????????????? １６４
８?５ 庫倫阻塞溫度計 ?????????????????????????? １６５
參考文獻 ???????????????????????????????? １６８
第９章 原子鐘和時間尺度 ????????????????????????? １６９
９?１ 理論原理 ????????????????????????????? １６９
９?１?１ 簡介 ????????????????????????????? １６９
量子計量學導論———修訂的SI和量子標準 (第２版)
?Ⅸ?
９?１?２ 艾倫方差 ??????????????????????????? １７１
９?１?３ 原子標準的結構和類型 ????????????????????? １７３
９?２ 銫原子頻率標準 ?????????????????????????? １７４
９?２?１ 銫束頻率標準 ????????????????????????? １７４
９?２?２ 銫噴泉頻率標準 ???????????????????????? １７７
９?３ 氫脈澤和銣頻率標準 ???????????????????????? １７８
９?３?１ 氫脈澤頻率標準 ???????????????????????? １７８
９?３?２ 銣頻率標準 ?????????????????????????? １８０
９?３?３ 原子頻標參數 ????????????????????????? １８１
９?４ 光學輻射頻率標準 ????????????????????????? １８１
９?４?１ 光學輻射源 ?????????????????????????? １８１
９?４?２ 光學頻率梳 ?????????????????????????? １８３
９?５ 時間尺度 ????????????????????????????? １８５
９?６ 波蘭國家時間和頻率標準 ?????????????????????? １８７
參考文獻 ???????????????????????????????? １８９
第１０章 長度標準和測量 ????????????????????????? １９０
１０?１ 簡介 ??????????????????????????????? １９０
１０?２ 米定義的復現 ??????????????????????????? １９１
１０?２?１ CIPM 建議的米的復現 ????????????????????? １９１
１０?２?２ CIPM 建議的長度測量 ????????????????????? １９４
１０?３ 碘穩(wěn)頻６３３nm 氦氖激光器 ????????????????????? １９６
參考文獻 ???????????????????????????????? １９９
第１１章 衛(wèi)星導航系統(tǒng) ?????????????????????????? ２００
１１?１ 簡介 ??????????????????????????????? ２００
１１?２ 全球定位系統(tǒng) (GPS) ??????????????????????? ２０２
１１?３ GLONASS與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) ??????????????????? ２０４
１１?３?１ GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng) ???????????????????? ２０４
１１?３?２ 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) ??????????????????????? ２０５
１１?４ 伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng) ???????????????????????? ２０６
１１?５ 區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng):印度 NAVIC和日本 QZSS ???????????? ２０７
１１?６ 定位精度 ????????????????????????????? ２０８
１１?７ 導航衛(wèi)星系統(tǒng)的應用 ???????????????????????? ２１１
１１?７?１ 導航 ????????????????????????????? ２１１
１１?７?２ 定位 ????????????????????????????? ２１２
目 錄
?Ⅹ?
１１?７?３ 授時 ????????????????????????????? ２１４
１１?７?４ 搜索與救援 ?????????????????????????? ２１５
參考文獻 ???????????????????????????????? ２１６
第１２章 掃描探針顯微鏡 ????????????????????????? ２１７
１２?１ 原子分辨顯微鏡 ?????????????????????????? ２１７
１２?１?１ 掃描探針顯微鏡的工作原理 ??????????????????? ２１７
１２?１?２ SPM 近場相互作用的類型 ??????????????????? ２１８
１２?１?３ SPM 基本參數 ???????????????????????? ２１８
１２?２ 掃描隧道顯微鏡 ?????????????????????????? ２１９
１２?３ 原子力顯微鏡 ??????????????????????????? ２２２
１２?３?１ 原子力 ???????????????????????????? ２２２
１２?３?２ 原子力顯微鏡性能 ??????????????????????? ２２３
１２?３?３ 顯微鏡懸臂梁撓曲的測量 ???????????????????? ２２３
１２?３?４ 測量懸臂梁共振的原子力顯微鏡 ????????????????? ２２５
１２?４ 靜電力顯微鏡 ??????????????????????????? ２２６
１２?５ 掃描熱顯微鏡 ??????????????????????????? ２２７
１２?６ 掃描近場光學顯微鏡 ???????????????????????? ２２９
１２?７ 掃描探針顯微術的發(fā)展機遇 ????????????????????? ２３０
參考文獻 ???????????????????????????????? ２３２
第１３章 新質量標準 ??????????????????????????? ２３３
１３?１ 簡介 ??????????????????????????????? ２３３
１３?２ 基于普朗克常數的質量標準 ????????????????????? ２３７
１３?２?１ 功率天平標準 ????????????????????????? ２３７
１３?２?２ 懸浮標準和靜電標準 ?????????????????????? ２４０
１３?３ 硅球標準 ????????????????????????????? ２４０
１３?３?１ 參考質量與阿伏加德羅常數 ??????????????????? ２４０
１３?３?２ 硅晶胞體積的測量 ??????????????????????? ２４２
１３?３?３ 硅球體積的測量 ???????????????????????? ２４３
１３?４ 離子累積標準 ??????????????????????????? ２４４
參考文獻 ???????????????????????????????? ２４６