具体描述
纳电子学是关于纳米器件及其信息处理的电路与系统的理论和技术的新学科。本书叙述了固体纳电子学、分子电子学和生物电子学的有关方面，内容包括：各种纳电子器件(分子器件、量子电子器件、谐振隧穿器件、单电子器件、超导器件、DNA和量子计算等器件)的新效应、新原理与新特性；纳电子学的若干物理基础和信息理论基础以及纳电子学发展的物理极限；各种创新的纳米电路与系统的结构与原理。
本书可以作为高等院校电子科学、信息处理、自动控制、计算机、生物、应用物理、电子工程和材料科学等学科的有关专业高年级学生及研究生的教材，也适于有关领域的科学家、工程师及高校师生参考。
21世纪物理学前沿探索：超导物理与先进材料设计 本书旨在为物理学、材料科学、电子工程领域的科研人员、研究生以及对尖端科技充满热情的专业人士，提供一个深入理解和掌握超导现象本质、最新研究进展以及先进材料设计策略的综合性平台。 在当代科学探索的版图中，如何突破现有材料的性能极限，实现更高效的能量传输、更精密的传感技术以及更强大的信息处理能力，是摆在科学家面前的核心挑战。超导物理，这一源于20世纪初的奇特量子力学现象，如今正以前所未有的速度向实际应用领域渗透，尤其在高温超导体的发现之后，其研究热度持续攀升，并与先进材料设计紧密交织在一起。本书将完全聚焦于这一激动人心的交叉学科领域。 --- 第一部分：超导电性基础与经典理论的再审视 (约400字) 本部分将从微观和宏观两个层面，系统梳理超导现象的物理内涵及其经典的理论框架，为后续深入探讨前沿问题奠定坚实的理论基础。 第一章：零电阻与迈斯纳效应的物理图像 详细阐述超导态的两个基本宏观特征——零电阻和迈斯纳效应（完全抗磁性）。我们将回顾彭菲尔德-迈斯纳在宏观热力学层面首次揭示的超导态非平凡性，并深入分析超导磁通量钉扎（Flux Pinning）在实际应用中的重要性。 第二章：BCS理论的精妙与局限 重点剖析巴丁-库珀-施里弗（BCS）理论，理解电子对（Cooper Pair）的形成机制——声子媒介的吸引作用。书中会详细讲解能隙（Energy Gap）的物理意义、准粒子激发谱的推导，以及BCS理论如何成功解释传统低临界温度（Low-Tc）超导体的关键输运性质。同时，我们将客观分析BCS理论在描述高温超导体系（如铜氧化物）时所暴露出的明显局限性，引出对更广泛机理探索的必要性。 第三章：伦敦方程与金兹堡-朗道唯象理论 介绍宏观电磁学描述的伦敦方程组，阐释超导电流密度与磁场之间的动力学关系。随后，深入探讨金兹堡-朗道（Ginzburg-Landau, GL）唯象理论。GL理论利用序参量来描述超导态的破缺对称性，并成功预测了第二类超导体的特性，特别是穿透深度（Penetration Depth）和相干长度（Coherence Length）的概念。 --- 第二部分：高温超导体的复杂性与机理探索 (约550字) 本部分将着眼于自1986年以来最引人注目的研究领域——高温超导（High-Tc Superconductivity）体系，聚焦于其独特的物理特性和当前主流的、仍在争论中的机理模型。 第四章：铜氧化物（Cuprates）的晶体结构与电子特性 详尽分析钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧（BSCCO）等典型铜氧化物超导体的结构特点，特别是其核心的二维CuO₂层。讨论如何通过掺杂（Doping）精确调控载流子浓度，从而将绝缘体转变为超导体，并探讨“赝能隙”（Pseudogap）现象的实验证据及其在理解高温超导机理中的关键地位。 第五章：铁基和镍基超导体的新进展 系统回顾近年来发现的铁基超导体（Iron-based Superconductors）和最新的镍基超导体。这些新型材料挑战了“电子配对必须依赖于强关联的d波对称性”的传统观念。分析它们结构上的相似性和差异性，以及是否存在一个统一的、超越BCS框架的超导配对机制。 第六章：强关联电子体系与非传统配对机制 深入探讨强关联电子（Strongly Correlated Electrons）对超导的影响。重点讨论自旋涨落（Spin Fluctuations）、磁性（Magnetism）与超导之间的竞争与合作关系。阐述当前主流的非传统配对机制假说，如磁性激发配对（Magnetic Excitations Pairing）等，并介绍实验技术如角分辨光电子能谱（ARPES）如何提供关键的能带结构和配对对称性信息。 --- 第三部分：先进超导材料的工程化设计与应用潜力 (约550字) 本部分将目光投向材料科学的前沿，探讨如何通过精密的材料工程手段，设计和制备具有特定性能的超导薄膜、线缆和异质结构，以实现其在能源、交通和医疗领域的革命性应用。 第七章：薄膜沉积技术与界面效应 详细介绍脉冲激光沉积（PLD）、分子束外延（MBE）等先进薄膜生长技术在超导材料制备中的应用。特别关注界面物理（Interface Physics）：当超导体与非超导体（如绝缘体或普通金属）接触时，界面电子态如何影响超导体的临界温度和临界电流密度。讨论超导异质结（Heterostructures）的设计原理。 第八章：超导磁体与高场应用 聚焦于实际工程应用中最关键的参数：临界电流密度（Jc）和临界磁场（Hc2）。分析第二类超导体中磁通钉扎中心（Pinning Centers）的工程优化策略，包括纳米尺度的引入（如稀土元素或第二相粒子）如何提高材料的载流能力。讨论高温超导（HTS）线缆和磁体的最新发展，及其在聚变反应堆磁体和高效率电网中的潜力。 第九章：量子器件与拓扑超导 探讨超导态在微观尺度下的前沿应用，特别是量子信息领域。介绍超导量子比特（Qubit）的架构与制备挑战。此外，对拓扑超导态进行介绍，讨论其与马约拉纳费米子（Majorana Fermions）的联系，以及在构建容错量子计算机方面的理论和实验进展。 --- 本书的特点： 本书结构严谨，理论推导详实，同时紧密结合最新的实验成果和工程应用需求。内容深度聚焦于超导物理的核心机制与先进材料设计方法，避免了对半导体、纳米结构或低能电子学等其他领域的冗余介绍，确保了对超导这一特定主题的专业性和深入性。通过对现有理论局限性的批判性分析，激励读者参与到下一代超导材料和器件的创新性研究中去。 目标读者： 从事超导物理、凝聚态物理、材料物理与化学、以及应用超导技术的研究人员和高年级学生。
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