《量子计量学——单位和测量基础》详细介绍了量子计量学的物理学基础,内容包括计量学基本原理;激光冷却、原子钟和秒;超导电性及其在计量中的使用;量子霍耳效应在计量中的应用;单电荷传输设备的物理学原理及其在实现电流单位(安培)方面的潜力;基于普朗克常数的新的千克定义及摩尔;玻尔兹曼常量和新的开尔文定义;单光子计量和量子辐射测量。
《量子计量学——单位和测量基础》可帮助相关专业的本科生和研究生学习和理解量子计量学的基础理论,也可作为量子计量领域科研人员从事技术研究与应用价值参考用书。
计量学是“关于测量、评价及其应用的科学”,而计量标准是指测量过程中的统一标准。20世纪50年代以前,基本单位的量值是由实物基准所保存及复现的。实物基准的缺点在于,由于它们是一些具体的、宏观的实物,会受到一些不易控制的物理和化学过程影响,实物基准所保存的量值会发生缓慢的变化,已不能满足现代工业和科学技术对计量准确度日益提高的要求。
20世纪,量子物理学的成就为计量科学提供了飞跃发展的机会,以量子物理学为理论基础的量子计量基准在近40年来得到了快速发展。量子计量学的基本形式是基于离散量子(如电荷或磁通量子)进行计数的测量学,而在经典计量学中测量结果则是对连续变量值的确定。从经典计量到量子计量,连续实数结果的测量被量子整数个数的计数所代替。与传统的计量基准相比较,量子计量基准具有准确度高、可在多个地点复现等优点。量子计量学的进展也激发了修订现行国际单位制( SI)的讨论,特别是量子计量学的发展使得用自然常数对SI基本单位进行新的定义成为可能。目前,长度、时间、电学等方面基于常数的基准已经建立,使计量标准由实物标准向自然标准过渡,测量准确度提高了几个数量级,说明基本物理常数的准确测定在量子计量学发展过程中具有重要作用。今后量子计量基准将会进一步发展和完善,主要集中在基本物理常量的新定义等方面。
本书的两位作者是量子计量领域的权威专家,都是经验丰富的大学教授:恩斯特·弋贝尔(Emst 0.Gobel)曾担任德国联邦物理技术研究院的主席超过16年,并从2004年到2010年担任国际计量委员会主席;乌维·西格纳(Uwe Siegner) 1997年加入德国联邦物理技术研究院,致力于飞秒激光技术的计量应用和电子量子计量的研究。本书介绍了未来新的SI单位定义背后的物理技术、实现过程及其对量子物理测量的影响,是量子计量领域中兼具系统性、新颖性和权威性的研究著作,对于相关领域的科学工作者和感兴趣的读者具有重要的参考价值。
本书内容主要包括9章:第1章绪论;第2章介绍计量学的基本原理;第3章介绍激光冷却、原子钟和秒的定义;第4章介绍超导及其在计量中的使用;第5章讨论基本的固态物理理论,并介绍量子霍耳效应的计量学应用;第6章介绍单电子传输设备的物理学原理以及利用其定义电流的单位——安培的可能性:第7章展望基于普朗克常数定义质量单位千克的可能性:第8章介绍玻尔兹曼常量的各种测量实验和新的开尔文定义;第9章介绍单光子计量与量子辐射。
本书翻译过程中,建立了涵盖一线专业技术人员和科技情报研究人员的翻译团队,力求翻译准确,信息不遗漏,整个过程经过了三轮校对和修改。邢晨光主要完成了第1章、第3章的翻译工作以及全书的统稿工作。王萍和于晓伟分别完成了第2章和第7章的翻译工作,吴蔚、刘亚威分别完成了第2章、第7章的校对工作。张宝珍、尤晨宇完成了第4章、第5章的翻译工作,蔡天恒、姜廷昀完成了第4章、第5章的校对工作。宋刚、程文渊完成了第6章、第8章的翻译工作,王字、薛景峰完成了第6章、第8章的校对工作。夏棒、夏东星完成了第9章的翻译工作,武腾飞、孟利、刘天易完成了第1、3、9章的校对工作。令人欣喜的是,在本书即将成稿之际,国际计量大会已经通过决议,决定采用普朗克常数定义质量单位,而本书探讨的采用常数定义基本单位的计量变革即将成为现实。
本书翻译过程历时8个月,过程中得到了整个团队的有力支持,保证了整个工作按时完成,同时本书获得了装备科技译著出版基金的资助,在此表示衷心感谢!并对支持这项工作的装备发展部项目管理中心、中国航空工业发展研究中心、航空工业计量所的相关领导和同事表示感谢!
由于时间紧,水平有限,加之本领域的技术比较新,有些技术名词没有形成统一译法,书中不当之处敬请读者批评指正!
第1章 绪论
参考文献
第2章 基础知识介绍
2.1 测量
2.1.1 测量不确定度
2.2 国际单位制
2.2.1 秒:时间单位
2.2.2 米:长度单位
2.2.3 千克:质量单位
2.2.4 安培:电流单位
2.2.5 开尔文:热力学温度单位
2.2.6 摩尔:物质的量的单位
2.2.7 坎德拉:发光强度单位
参考文献
第3章 激光冷却、原子钟和秒
3.1 激光冷却技术
3.1.1 多普勒冷却、光学黏胶和磁光阱
3.1.2 低于多普勒极限的冷却
3.1.3 光晶格
3.1.4 离子阱
3.2 铯原子喷泉钟
3.3 光钟
3.3.1 飞秒频率梳
3.3.2 中性原子钟
3.3.3 原子离子钟
3.3.4 精细结构常数的可能变异
参考文献
第4章 超导、约瑟夫森效应和磁通量量子
4.1 约瑟夫森效应和量子电压标准
4.1.1 超导性简介
4.1.2 约瑟夫森效应基础
4.1.3 实际约瑟夫森结的基本物理性质
4.1.4 约瑟夫森电压标准
4.2 磁通量量子与SQUID
4.2.1 外加磁场中的超导体
4.2.2 SQUID基础理论
4.2.3 SQUID在测量中的应用
4.2.4 可溯源磁通密度测量
参考文献
第5章 量子霍耳效应
5.1 三维和二维半导体的基本物理性质
5.1.1 三维半导体
5.1.2 二维半导体
5.2 真实半导体中的二维电子系统
5.2.1 半导体异质结构的基本性质
5.2.2 半导体异质结构的外延生长
5.2.3 半导体量子阱
5.2.4 调制掺杂
5.3 霍耳效应
5.3.1 经典霍耳效应
5.3.2 量子霍耳效应物理性质
5.4 量子霍耳电阻标准
5.4.1 直流量子霍耳电阻标准
5.4.2 交流量子霍耳电阻标准
参考文献
第6章 单电荷传输设备与新安培
6.1 单电子传输的基本物理性质
6.1.1 单电子隧穿
6.1.2 SET晶体管中的库仑阻塞
6.1.3 库仑阻塞振荡与单电子检测
6.1.4 时钟单电子转移
6.2 量化电流源
6.2.1 金属单电子泵
6.2.2 半导体量化电流源
6.2.3 超导量化电流源
6.2.4 基于单电子转移的量子电流标准
6.3 一致性检验:量子计量三角形
参考文献
第7章 普朗克常数、新千克和摩尔
7.1 阿伏伽德罗实验
7.2 瓦特天平实验
7.3 摩尔:物质的量单位
参考文献
第8章 玻尔兹曼常量与新开尔文
8.1 基本温度计
8.1.1 介电常数气体温度计
8.1.2 声学气体温度计
8.1.3 辐射温度计
8.1.4 多普勒展宽温度计
8.1.5 约翰逊噪声温度计
8.1.6 库仑阻塞温度计
8.2 新开尔文的实现与传播
参考文献
第9章 单光子计量与量子辐射测量
9.1 单光子源
9.1.1 氮空位金刚石色心
9.1.2 半导体量子点
9.2 单光子探测器
9.2.1 非光子数分辨探测器
9.2.2 光子数分辨探测器
9.3 计量上的挑战
参考文献
第10章 展望
参考文献