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出版者:Springer

作者:Callow, James A. 编

出品人:

页数:283

译者:

出版时间:2006-06-02

价格:USD 219.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540310488

丛书系列:

图书标签:

• 生物粘附剂
• 生物材料
• 粘附
• 生物工程
• 材料科学
• 表面化学
• 生物医学工程
• 组织工程
• 聚合物
• 界面科学

科学前沿探索：从纳米材料到深空通信 图书主题： 本书旨在全面梳理和深入探讨当前物理学、材料科学以及信息技术领域最前沿的几个关键方向，重点聚焦于新型功能材料的构建、极端环境下的物理现象研究，以及下一代信息传输和处理技术的原理与应用。内容涵盖从基础理论推演到尖端实验技术的跨学科研究，力求为专业研究人员和高阶学生提供一个广阔而深入的知识视野。 --- 第一部分：超构材料与量子调控 第一章：超构材料的结构设计与电磁响应 本章深入剖析了超构材料（Metamaterials）的设计哲学，超越了传统材料的局限性，重点探讨了如何通过亚波长尺度的结构排布来精确调控电磁波、声波乃至热流的传播特性。 负折射率材料的理论基础与实现： 详细阐述了基于LHM（Left-Handed Materials）的电磁场反向传播机制，分析了开口谐振环（SRR）和金属纳米线阵列在实现负介电常数 ($epsilon$) 和负磁导率 ($mu$) 中的作用。讨论了如何通过多物理场耦合设计（如光热效应）来动态调控材料的有效参数。 拓扑绝缘体的拓扑不变量与边界态： 聚焦于拓扑材料在凝聚态物理中的革命性地位。解释了拓扑不变量（如Chern数和Z2不变量）如何保证了其边缘或表面态的鲁棒性，即使在存在缺陷或杂质的情况下也能稳定存在。对比了二维和三维拓扑绝缘体的能带结构和实验观测到的量子霍尔效应。 可编程和时变超材料： 探讨了集成半导体器件、相变材料（如钒氧化物 $ ext{VO}_2$）或液晶单元到超构材料结构中，以实现对电磁响应的实时、动态控制。重点分析了如何通过施加外部电场、温度或光照来实现材料光学特性的快速切换，及其在动态隐身和可重构天线中的潜力。 第二章：量子信息存储与处理的新范式 本章转向微观世界，关注如何利用量子力学的基本原理构建高效的计算和存储单元。 固态量子比特的退相干机制与抑制： 详细分析了超导电路、硅基量子点以及金刚石NV色心（Nitrogen-Vacancy Centers）等主流固态量子比特面临的主要噪声源，包括电荷噪声、磁场涨落和声子耦合。介绍了拉曼弛豫、自旋回波序列等降噪和相干时间延长的实验技术。 拓扑量子计算的鲁棒性优势： 阐述了基于非阿贝尔任意子的拓扑量子计算模型。解释了如何通过编织（Braiding）这些准粒子来执行量子门操作，从而本质上免疫局部环境扰动，这是其相对于通用量子计算模型的核心优势所在。 光子学在量子网络中的集成： 讨论了如何利用集成光子芯片（Silicon Photonics）作为量子网络的基础平台，实现光子源的单光子纯度、高保真度的量子态传输，以及城际量子纠缠分发的距离扩展难题。 --- 第二部分：极端环境下的材料行为与能源转化 第三章：高压与低温下的物质结构演变 本章关注物质在非常态条件（极高压力或极低温）下表现出的奇异物理特性，这是理解行星内部结构和开发新型超导材料的关键。 金刚石对顶砧技术（DAC）与同步辐射探测： 详述了DAC技术在产生数百万个大气压力的过程中，结合高能同步辐射X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析，实时监测晶格结构变化和相变过程的方法论。重点分析了在极端压力下金属氢的合成挑战及其理论预测的室温超导潜力。 强关联电子系统的低维效应： 研究了在极低温度下，材料中的电子-电子相互作用被放大的现象。深入探讨了二维电子气（2DEG）中的分数量子霍尔效应的物理本质，以及单层过渡金属硫化物（TMDs）中激子的长寿命和高束缚能。 非晶态和高熵合金的结构弛豫： 对比了传统晶体与玻璃态材料在应力作用下的响应差异。引入了高熵合金（HEA）中“无序增强韧性”的微观机制，如熵稳定性和多滑移系统的激活，以及它们在高温、高辐射环境下的抗辐照性能提升。 第四章：催化转化与环境光电能源 本章聚焦于如何通过材料科学的进步来解决能源和环境问题，特别是高效的光能捕获与化学反应的调控。 单原子催化剂（SACs）的活性位点工程： 详细介绍了将贵金属原子（如Pt, Ir）锚定在载体材料（如氮化碳、氧化物）上的精确合成方法。分析了电荷转移机制如何调节单个原子位点的电子结构，从而优化其在析氢反应（HER）或氧还原反应（ORR）中的催化活性和选择性。 钙钛矿太阳能电池的稳定性瓶颈： 全面评估了卤化物钙钛矿材料在湿热环境下的降解路径（如碘离子迁移和相分离）。重点探讨了界面工程（如引入二维超薄层钝化）和空穴传输层（HTL）材料的优化，以实现商业化所需的长期运行稳定性。 光催化分解水与二氧化碳还原： 阐述了半导体光催化剂（如$ ext{g-C}_3 ext{N}_4$和$ ext{TiO}_2$）的能带匹配问题。比较了在可见光驱动下，如何通过形貌控制（如增加晶面指数）来提高载流子的分离效率，并降低过电位，从而实现高效的燃料分子合成。 --- 第三部分：先进传感、计算与深空通信 第五章：生物物理学中的高灵敏度传感技术 本章探讨了如何将物理学的精密测量技术应用于生命科学领域，以实现对生物过程的无损、实时监测。 表面等离子体共振（SPR）传感器的增强机理： 解释了局域表面等离子体共振（LSPR）如何将光信号的微小变化转化为可测量的折射率变化。讨论了纳米颗粒阵列和耦合腔结构在提高灵敏度和降低检测限方面的最新进展，特别是对蛋白质相互作用和核酸检测的应用。 单分子定位显微技术（SMLM）的光学极限突破： 介绍了STORM和PALM等技术的基本原理，即通过精确控制分子激活和成像，突破传统衍射极限。分析了荧光染料的动力学特性（光开关行为）对成像速度和精度的影响。 基于石墨烯场效应晶体管的生物电化学传感： 阐述了单层石墨烯（Graphene）极高的载流子迁移率使其成为理想的电化学传感器材料。重点讨论了其对特定生物分子（如DNA、酶）吸附引起的表面电荷密度变化的高度敏感性。 第六章：深空通信与极端条件下的信号处理 本章将视角投向遥远的宇宙通信需求，关注如何在信号微弱、延迟巨大的环境下确保信息的完整性和安全性。 超远距离激光通信的链路预算与大气湍流补偿： 探讨了相对于射频通信，激光通信（Optical Links）在带宽和指向精度上的优势。详细分析了深空通信链路预算中，光束扩展、接收器孔径选择以及如何利用自适应光学系统（AOS）来实时校正地球大气层和行星际介质引起的相位畸变。 量子密钥分发（QKD）在星地网络中的应用： 介绍了BB84和Ekert91协议在星地安全通信中的实现挑战，特别是卫星平台的姿态控制和光束对准精度。讨论了如何利用纠缠光子源在高轨道上建立安全密钥分发链路，以防御中间人攻击。 引力波数据处理中的贝叶斯推断： 转向信号处理领域，阐述了LIGO/Virgo等引力波探测器如何利用复杂的匹配滤波技术和先进的贝叶斯参数估计方法，从高噪声背景中精确提取二进制黑洞或中子星并合事件的物理参数（如质量、自旋和辐射能量）。 --- 结论：跨学科融合的未来图景 本书最后总结了上述六个领域的相互渗透和融合趋势。例如，量子调控技术正被应用于新型催化剂的精确设计；极端条件下的材料行为研究为下一代高能密度电池提供了新的思路；而先进传感技术则反哺于对量子系统退相干过程的实时监测。本书旨在激发读者对基础物理原理的深刻理解，并鼓励他们在材料、能源与信息技术的交汇点上进行创新性的研究探索。

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