量子工学 | 三度の飯とエレクトロン

がっかりするくらい勉強のペースが落ちました。
実験やらレポートやらが忙しいのはもちろんなのだけど、理由は他にも色々です。

･･･ひとつの原因である、お金がないというのはバイトを始めることで解決します。

さて、ペースは落ちているものの、それでも少しずつ進めています。
まずは「量子工学」のテキスト。

先生も初回の授業で言っていたことだけど、「量子工学」という言葉はあまり聞きません。
量子力学を電子工学的に応用した･･･というようなニュアンスらしいです。

そして、この本がものすごく誤植が多い。
正誤表を印刷したら4枚もあるし、それを修正したうえで読んでも間違いがある。

･･･というより、もはや本に書いてある内容を信用できないので、全部が誤りに見えてくる。

内容としては、量子論的な「おもしろいなー」が沢山つまってました。
各章のはじめに工学的な応用例が載っているのも理解を助けている･･･と思います。
でもその分、本文の方が短くまとめられすぎている気もしました。

テキストを読んでいていつも悩むのが、「この式変形は理解すべきか」ということです。

式変形が飛躍しすぎで、まったく理解できない時があります。
これは誰にでもあると思いますが、その式に至る変形をなんとか導き出せる力が理系だと思います。
でも、どんなに頑張っても無理な場合があるというか。
･･･微分方程式の次の行に、いきなり解を書いちゃう本とか。

ページがないのは分かるけど、その導出過程を理解すべきなのか。
それとも、こうなるものだと思って諦めて次へ行けばいいのか。

その判断が、ここ数週間の悩みです。

「量子工学」

1章粒子の波動性
　「光は、粒子なのか波動なのか」という議論から、「光は、粒子であり波動である」という結論。
　そして、「すべての物質は、粒子であり波動である」という飛躍。
　人間だって波動であるということ。
　その波長が現在の技術で観察できないほど小さなスケールだから、波動性が見えてこないだけ。

2章コヒーレント状態
　不確定性原理は、位置と運動量の関係かと思っていたけれど。
　エネルギーと時間、粒子数と位相にも、不確定性関係がありました。
　量子論の凄いところは、波動関数を重ね合わせれること。
　つまり、複数の「状態」を重ね合わせれること。

3章量子井戸と量子閉じ込め効果
　量子井戸のシュレディンガー方程式を解くことで、エネルギーが分かれることを確認しました。
　エネルギーは、固有値なのだと今更知りました。
　波動関数は、固有関数。

4章トンネル効果
　量子効果を利用したデバイスといえば、トンネルダイオードが真っ先に浮かびます。
　走査型トンネル顕微鏡の例はわかりやすい。
　試料の表面にトンネル電流を流して、表面に凹凸があればトンネル電流の大きさが変わるという原理。

5章量子的系のエネルギー構造
　ちょうどエレクトロニクス基礎という授業で学んだ内容でした。
　･･･学んでいる内容でした。(2回目の履修中)
　化学で、1s軌道だとか、2p軌道だとかいいます。
　でも、あれは電子の軌道でなく、存在確率なのです。たぶん。
　だから、電子雲という表現の方が正しいような気がする。

6章角運動量,磁気モーメント,スピン
　なぜスピンが発見されたのかという話や、パウリの排他律の話。
　磁界を加えるとエネルギー順位が分裂する、ゼーマン効果など。
　キーワードは、縮退。

7章格子振動の量子化
　格子振動の量子化されたエネルギーのかたまりが、フォノン。
　フォトンとは、また別のものです。
　半導体の直接遷移型とは、フォトンのみで遷移するもの。
　間接遷移型は、フォトンとフォノンによって遷移するもの。

8章定常状態における摂動法
　地球の運動はほとんど太陽によって支配されている。
　けれど、金星やら火星やらの影響も受けている。
　これが摂動。
　この太陽系を、電子にあてはめて、シュレディンガー方程式と摂動法がコラボする章。

9章時間依存性のある摂動理論
　レーザの話。
　「そうか、レーザも量子効果を利用しているのか」という発見でした。
　熱平衡状態のボルツマン分布を崩した反転分布を作ることで、レーザ発振ができる。

10章さまざまな量子効果
　単一電子素子はトンネルによって電荷を蓄え、クーロンブロッケードによりそれ以上電子が入らないようにする。
　単一電子でビットを表すことができるので、現在の形態のメモリの究極の形。
　さらに、単一電子素子を応用すれば、単一の光子を発するデバイスを作ることもできる。
　量子暗号は観測することで量子の状態が変化してしまうことを利用して盗聴を検出する。