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量子力學研究方向范文1
關鍵詞：問題式教學法；量子力學；教學
中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）24-0102-02
隨著高校教學改革的不斷深入，多媒體技術的普及和任課教師專業水平的提高，使得教學內容和教學手段更加豐富多樣。量子力學課程是核類專業的基礎課，它對于學習和理解核類專業主干課程，如原子核物理學、原子核物理實驗方法等具有十分重要的作用和意義。但由于其理論性強，思維方式與經典力學差異較大，量子力學現象在日常生活中比較少見。這樣就使得核類專業特別是核類工科專業的學生在學習和理解該門課程時遇到了很大的困難，也使得學生對該門課程的學習沒有積極性。因而在課堂上就經常出現這樣的一幕：只有老師在講，學生思考的少，氣氛壓抑。如何改變這一現狀呢？怎么樣來調動學生的學習積極性呢？這些都是急需解決的問題。基于此，在分析量子力學與經典力學相互聯系的基礎上，探究并實踐了由經典物理學的問題來引入量子力學學科的問題。將問題式教學法應用于量子力學的實踐教學當中。這樣既可以活躍課堂氣氛，提高學生積極性，又可以培養學生發散性思維，同時還可以鞏固學生以前學過的經典物理學的相關知識，進而能提升教學質量。
一、問題式教學法概念
問題式教學（Problem-Based Teaching）是問題式學習（Problem-Based-Learning）的發展，它鼓勵學生主動思考問題、自主尋找答案，是以問題為基礎來展開學習和教學過程的一種教學模式，通過學生合作解決真實問題來學習隱含在問題背后的科學知識，形成解決問題的技能，并形成自主學習的能力。PBL最早起源于20世紀50年代的醫學教育，并且已經被廣泛應用于數學、會計、英語等眾多學科。
二、量子力學與經典物理的聯系及問題式教學法在量子力學課程中的應用
經典物理可以解釋天體間的相互作用、電磁波的傳播以及系統的熱力學平衡等自然現象。20世紀初，當人們發現了放射性現象后，在解釋分子原子尺度的物理現象時，經典力學往往無能為力。因此需要建立一個全新的理論，這就是量子力學。它是闡明原子核、固體等性質的基礎理論，且在化學、生物學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。在經典力學，做機械運動的物體簡化為質點，位置可以用坐標系上的坐標表示。將坐標對時間求導、再求導，得到物體運動的速度■和加速度■?！?■（t） ■=■ ■=■ ①
經典物理中，描述物體運動的規律是牛頓三大定律。描述物體t時刻的狀態用t時刻的位置矢量■，動量■。初始位置矢量、動量及所受到的力■知道，由牛頓運動定律就可以知道物體的運動狀態。量子力學是用來描述微觀粒子運動規律的一門學科。由于微觀粒子運動的隨機性，使得粒子的動量和位置不能同時確定。在實際的教學中就可以引入這樣的問題：量子力學中是怎么樣來描述粒子的狀態及運動規律呢？這就要找到與經典對應的關系。這樣就可以引入量子力學的波函數概念及其物理含義。波函數是描述微觀粒子的狀態，可以表示為如下的形式：
Ψ（x，y，z，t）=Ψ（p，r，t） ②
此時又引入一個新的問題：波函數遵循什么樣的規律呢？與經典牛頓運動定律對于的定理或者定律又是什么呢？這個時候就可以用問題式的方法來引入薛定諤方程問題。
i？攸=■=-■？犖2Ψ+U（r）Ψ ③
上式子表示粒子在相互作用勢為U（r）的勢場中運動時，描述粒子運動狀態波函數隨時間的演化所滿足的規律。同樣，像以上這樣利用問題式引入的方式來講授量子力學課程的相關內容還有很多，如態疊加原理，表象變換等。對于態疊加原理，問題的引入：經典物理有波函數的概念，有波的疊加，那量子力學中描述物體狀態的波函數是否也有疊加性，他們之間有什么異動呢？這樣就可以將學生引入到量子力學中的態疊加原理的相關內容。
三、需要重視的問題
針對目前核類專業特別是核類工科專業量子力學課程的現狀，我們除了將問題式教學法應用到教學實踐中，還要從以下的幾個方面來激起學生的興趣，提高學生學習該門課程的積極性。
首先，需要激起學生的好奇心。其次，在解答習題中將問題式教學融入其中，要做到課堂知識和課后習題的問題式教學雙覆蓋。最后，需要學生知道處理量子力學問題的一般方法，同時適當鼓勵學生。為了充分調動學生參與課程教學的積極性和主動性，必須在教學過程中把握學生對知識的掌握程度，對表現優異的學生進行表揚并登記，從心理層面激勵其更加積極參與到教學互動中。本科階段的量子力學是一門入門課程，是繼續學習物理學的基礎。只有讓學生認識到了量子力學課程的重要性，才能達到預期的教學目標。
通過經典物理與量子力學的類比對應關系，在量子力學講授相關知識時，用問題式的方式引入知識點。激發學生對該門課程的學習積極性。使用該教學方式以來，學生的學習積極性和教學質量都得到了提高，達到了教學改革的目的。
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量子力學研究方向范文2
量子力學的成功和困惑
用宏觀物理學的方法研究原子的性質及其相互作用時，只能通過測量微觀量的平均值，大平均過程掩蓋了原子水平上的重要效應。操控單個微觀粒子，研究單個粒子的行為和性質以及少數粒子的相互作用，一直是就是物理學家夢寐以求的事。隨著實驗技術的發展，控制單個微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的發明和在這以后激光技術的發展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續時間并使激光束聚焦到一個原子大小的范圍。從這以后，實驗技術和實驗方法有了極大的發展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對零度，就是使它們的運動速度減到非常小，直至幾乎停止。還實現了利用特殊的電磁場來陷俘單個原子或離子。物理實驗技術的進展使研究單個或少數幾個粒子的性質、深入研究光子和物質粒子的相互作用有了可能。這不僅打開了高科技應用的廣闊前景，還為證實和發展量子物理學的基本原理提供了實驗基礎。
量子力學已有100多年歷史，量子力學理論取得了輝煌的成功?，F代的高科技產品，如計算機芯片、激光、醫用磁共振等等無不是在量子力學理論基礎上發展起來的。量子力學被認為是最精確、最成功的物理理論，可是人們對量子力學的基本原理始終存在著疑問，那些創立量子力學的物理大師們自己都不滿意量子力學的基本假設。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關于量子力學的理論基礎是否完善的問題爭論不休，新的解釋層出不窮，至今還沒有得出令人滿意的結論。
量子力學描寫微觀世界的規律，但人類的直接經驗都是關于宏觀世界的。我們的測量儀器以及人類感官本身都是宏觀物體，儀器測量到的和我們直接感知的都是大量原子組成的宏觀物體。在經典物理學中，觀察不影響被觀察對象的運動狀態，例如，我們能夠觀察一個行星的運動，追隨它的運動軌跡，行星的狀態變化與觀察者無關，不受我們觀察的影響。可是，對微觀世界的觀察就完全不是這樣，當我們研究一個量子體系時，經過測量后的量子體系原來的狀態總是被破壞了。例如，光子進入光電探測器后，光子就被吸收；電子被探測器件接收后，該電子原來的狀態就改變了。宏觀儀器對量子系統測量的結果，都必須轉換為經典物理學的語言。要直接觀察并且非破壞性（non-demolition）地測量量子體系的量子性質是難以做到的事情，所以，量子力學所預言的量子世界的奇特性質一直令物理學家和公眾感到神秘難解。
2012年諾貝爾物理獎獲得者和他們的同事們的工作，突破了經典物理學實驗和人類直接經驗的限制，他們直接觀察到了個別粒子的量子行為。瓦因蘭德小組做的是在電場中陷俘離子，用光子對它做非破壞性的操控。阿羅什小組是在空腔中陷俘單個光子，用原子進行非破壞性的測量。他們異曲同工，都對單個量子粒子進行實驗測量，研究量子力學的基本原理。這些研究不僅對量子理論的基本原理的進一步闡明有重要意義，并且有廣闊的應用前景。
阿羅什：把光子囚禁起來
阿羅什畢業于法國高等師范學校。1971年他在巴黎第六大學獲得博士學位，導師是柯亨-塔諾季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年諾貝爾物理學獎得主。從20世紀60年代開始阿羅什就在法國高等師范學校物理系的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。該實驗室是以獲諾貝爾物理學獎的阿爾夫萊德?卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿羅什曾到美國斯坦福大學，在諾貝爾物理學獎獲得者肖洛的實驗室中工作。
阿羅什說，他們的成功主要得益于卡斯特勒-布羅塞爾實驗室特有的學術環境和物質條件。他們組成了極其出色的研究小組，并且將共同積累的知識和技能傳授給一代又一代的學生。阿羅什還說，他給研究生和本科生的講課也有助于研究工作，在準備新課的過程中他注意到了光和物質相互作用的不同方面。阿羅什認為，國際交流學者參加研究不僅帶來專門的知識和技能，也帶來不同的科學文化以補充他們自身的不足。他覺得幸運的是，在長期的微觀世界探索中，他和他的同事們能夠自由地選擇他們的研究方向，而不必勉強地提出可能的應用前景作為依據。
阿羅什小組的主要成就是發展了非破壞性的方法檢測單個光子。用通常的方法檢測光子，都是吸收光子并把它轉換為電流（光電探測器）或轉化為化學能量（照相底片）（動物的眼睛是將光子轉化為神經的電脈沖的）?？傊庾颖粶y量到后立即消失。近半個世紀以來，雖然人類發展出了量子非破壞性測量，但這些測量只能用于大量光子的情況。而阿羅什和同事們做到了反復測量記錄同一個光子。
光的速度非常快，達每秒30萬公里，所以要控制、測量單個光子，必須將光子關閉在一個小的區域內，并使其在足夠長的時間內不逃逸或被吸收。阿羅什小組實驗成功的關鍵是制成反射率極高的凹面鏡。反射鏡是在金屬底板上鍍以超導材料鈮，鏡面拋光到不平整度只有幾個納米（1納米=100萬分之一毫米），光子因鏡面不平而散射逃逸的機會非常小?？涨挥蓛蓚€凹面鏡相對安放組成，鏡間距離27毫米。整個設備安置在絕對溫度1度以下的環境中。一個微波光子在腔中停留時間可達十分之一秒，即在兩面鏡子之間來回反射10 億次以上，差不多相當于繞地球一周?？梢哉f阿羅什小組創造了限制在很小的有限體積內的光子壽命的世界紀錄。
阿羅什小組的另一項創造性貢獻是利用利用里德伯原子作為探測器，實現非破壞性測量單個光子。所謂里德伯原子，是激發到很高的能量軌道上的原子，這種原子的體積比正常原子大許多。他們用銣（原子序數37）原子，把它的價電子激發到第50層的圓形軌道上（主量子數n=50）。這種情況下，外層電子從n=50 的軌道躍遷到相鄰的軌道n=49和n=51，發射或吸收微波光子頻率分別為54.3GHz（千兆赫茲）和51.1GHz。正常的原子半徑在0.1納米以下，銣原子中電子占據的最外層軌道為n=5；當它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時，原子的半徑達到100多納米，原子半徑增大了1000倍以上。這樣的原子好比一個很大的無線電天線，容易和電磁場相互作用。
瓦因蘭德：讓離子停下來
瓦因蘭德和阿羅什同年，都生于1944年。1965年，瓦因蘭德畢業于美國加利福尼亞大學伯克利分校；1970年在哈佛大學獲博士學位，博士論文題目是“氘原子微波激射器”，導師是拉姆齊（Norman Ramsey）。以后他到華盛頓大學，在德默爾特（Hans Dehmelt）的實驗室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾同發表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關激光致冷的開創性論文，被學術界同仁廣泛引用，其中包括獲1977年諾貝爾物理學獎的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔諾季等。
1975年，瓦因蘭德到隸屬于美國商業部的美國國家標準與技術研究所工作。在那里，他創建了儲存離子研究小組。在過去多年的工作中，他做出了多項世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學獎。他是15年來美國國家標準與技術研究所第四位獲諾貝爾物理獎的研究人員之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。
制造量子計算機的建議方法有多種，許多科學家正在對不同的方案進行實驗研究。瓦因蘭德小組從事的陷俘離子的方法是最成功的方法之一。他們利用特殊排列的幾個電極組合產生特定的電場，形成陷阱，將汞的一價離子限制在三個電極組成的空間中。三個電極包括兩端各有一個相對的電極和一個環形電極，離子由激光束控制。
在常溫下，原子運動的平均速度為每秒數百米，以這種速度運動的離子會立即逃逸出陷阱。要將離子陷俘在電場陷阱中，離子的運動速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運動速度才能變得很小?？梢岳眉す馐闺x子冷卻，使離子的速度減小到幾乎停止的狀態。將特定頻率的激光束對著原子或離子射來的方向照射時，原子在迎面射來的光子的一次次沖擊下，速度就慢了下來。當然，原子或離子吸收了光子又要再把它發射出去，發射光子時原子也要受到反沖。但原子或離子發射光子的方向是隨機的，各種方向都有，結果反沖效應平均為零，只有迎面射來的光子被吸收后起到了減速的作用。但僅僅用這種方法還不能使原子速度降低到近乎停止，還要加上其他方法。速度已經很小的離子在陷阱中受電場的作用，還在以一定的頻率振動，這種振動的能量和離子內部的能量狀態耦合起來，形成復雜的能級。在適當頻率的激光束照射下，離子吸收光子后又重新放出光子，落回原來內部能量最低的狀態，同時帶動離子振動能量的變化。在適當控制的條件下，重復這樣的過程，就可以使離子振動能量逐步減少，直到振動能量達到最低的量子狀態，離子近于完全停止。這時，離子就可以隨意操控了。
瓦因蘭德小組利用利用陷俘離子做成一個量子可控非門（Controlled NOT）。當然可控非門只是最簡單的量子計算機的元件，一臺能工作的計算機需要多得多的元件，離制成實用的量子計算機還非常遙遠。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內的許多科學家正積極研究，攻克難關，希望在本世紀內將量子計算機研制成功。
瓦因蘭德和同事們還利用陷俘的離子制造出了當今世界上最精確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗量子力學基本原理，如進行“薛定諤貓”的實驗。
不為盛名所惑
阿羅什和瓦因蘭德有許多相同的地方。他們都在世界第一流的實驗室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學獎的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩定的研究小組，還有許多優秀的學生和合作者，其中包括外國的訪問學者。在他們的諾貝爾獎報告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有密切關系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學生、博士后和訪問學者也做出了貢獻，強調成績是大家努力的結果。
瓦因蘭德和阿羅什也有一點很大的不同。阿羅什的研究目的偏重于探索自然界的奧秘，沒有非常明確的應用目標，雖然他知道自己的研究成果肯定有長遠的應用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室也沒有要求其研究一開始就必須有明確的應用目的。不過，即使在法國高等師范學校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國國家標準與技術研究所本身就具有明確的實用目標：促進美國的創新和產業競爭能力，開創新的測量科學，推進美國的技術水平。該研究所的研究都是目標長遠，技術含量高，能在世界上領先的項目。這些項目實際上都是結合遠期應用的基礎性研究。
瓦因蘭德和阿羅什還有一個共同點，就是除了做研究以外，都在大學教課。阿羅什認為備課的過程促使他從多方面考慮基本原理，也有助于研究工作。而從學生的角度來看，能聽到優秀的科學家講課，和他們直接交流，不僅能學到當今前沿的科學知識，還可以學習到優秀科學家的治學精神和思想方法。
榮摘諾獎桂冠是否改變了科學家本人的生活呢？據英國廣播公司（BBC）在線版消息稱，阿羅什本人僅僅提前了20分鐘被組委會告知自己獲獎的消息。
“我很幸運，”阿羅什說，但他指的并不是自己得獎這回事，“（接到來電時）我正在一條街上，旁邊就有個長椅，所以我第一時間就坐了下來。”他形容那一刻的心情，“當我看到是瑞典的來電區號，我意識到這是真實的，那種感覺，你知道，真是勢不可擋?！?/p>
不過據諾獎官網的推特稱，阿羅什接到獲獎的確切消息后，打了個電話給自己的孩子，然后開了瓶香檳慶祝。再然后，他又回實驗室工作去了。
（作者單位：復旦大學物理系）
阿羅什小組設備示意圖
量子力學研究方向范文3
當計算機遇到化學……
提到化學模型，我們可能首先會聯想到中學化學課上老師用塑料球和小棍搭起來的模型?，F在，建模則由計算機完成。當計算機遇到化學，便形成了計算化學這一新的交叉學科。
化學研究的核心在于“化”字，即分子之間的相互轉化，舊化學鍵斷裂、新化學鍵生成。只有這樣，才能創造出新材料，設計出新藥物?？墒?，分子之間的轉化經常發生得很快，在毫秒瞬間，電子便從一個原子核躍遷到另一個，傳統的化學方式已很難捕捉這個過程，必須借助計算機這一工具。時至今日，計算機對化學家的作用已經和化學實驗手段一樣重要。因為計算機對化學反應的模擬能夠非常逼真，化學家們已經能夠通過計算機預測傳統實驗的結果了。
在20世紀70年代計算機還未被普及的時候，馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特及亞利耶·瓦謝爾就打造了堅實的計算機程序基礎，為后人用于了解和預測化學反應進程作了強大鋪墊。近年來，因為計算方法和計算機軟硬件的飛速發展，在他們的基礎上取得了很多的后續成果，并得到推廣應用。
得益于他們的工作，我們將解開許多關于自然界的疑問。比如世界上最重要的化學反應——光合作用是怎么進行的？如果能模擬出來，那么我們就將能制造出更加高效的太陽能電池板；催化劑如何加快化學反應？如果深入了解其中的機理，我們可以嘗試通過催化讓水分子分解，從而開發出清潔的能源；藥物如何在人體中發生作用？通過計算的方法，尋找出藥物的靶點以及可能的藥物干擾，我們就能設計出滿足我們特定需求的理想藥物。
諾貝爾“理綜”獎？
如果化學反應在氣相中發生，由于參與反應的分子受環境影響小，因此是理想的模型體
系（1986年，李遠哲等三人因為用實驗方法揭示氣相化學反應微觀細節而獲得諾貝爾化學獎）；然而，化學反應更多是在液相，在生物體系中發生，體系自由度多，非常復雜，不容易弄清楚細節。而反映真實情況的多尺度模型可以用來研究復雜體系的分子行為，包括液相化學反應或者是生化反應。
為什么生物體系中的分子反應如此復雜呢？舉例來說，“人體的一個細胞內就可有上百億個蛋白質分子。一個大的蛋白質分子可包含上百萬個原子。蛋白質內每兩個原子間都有相互作用，這些原子處于不停的運動中，其情形就像北京城內同一時刻有兩百萬輛機動車行駛一樣。計算和跟蹤一個蛋白質的原子運動就像記錄和監控北京的車輛一樣。如此巨大的分析計算量必須借助計算機技術來存儲和分析。”這番話出自中科院計算數學與科學工程計算研究所的盧本卓研究員，他的研究方向就與此次諾貝爾化學獎相關，而他原本是學物理出身。這是不是有點兒“亂套”了？當然沒有，而且還恰恰反映了本屆諾貝爾化學獎的交叉學科屬性，即計算機、物理、數學、生物學和化學等多學科相互滲透和融合。難怪本屆諾貝爾化學獎被戲稱為諾貝爾“理綜”獎。
這是化學的榮譽
雖然被戲稱為“理綜”獎，但這的的確確是屬于化學的榮譽。理論化學發展到今天，其最大的組成部分就是計算化學。計算化學的基礎理論大多來源于兩部分：量子力學和牛頓經典力學，這兩個學科在化學上的應用則分別誕生了量子化學和分子模擬兩個學科。涉及電子的化學反應需要用量子化學來解決，一旦涉及到分子間的相互作用，其量子效應往往可以忽略不計，使用經典力學就足以描述，從而大大地簡化了計算，這就是分子模擬。
當描述化學反應的過程時，量子力學的描述是小而精，經典力學的描述大卻精度不高。如果都用高精度的方法來描述化學過程，理論上當然不錯，但實際計算將難以進行。所以，多尺度組合的方法便成了最好的選擇。這也體現了三位獲獎者開創性工作之所在，即把兩種體系中的精華部分提取了出來，并且找到了適用于二者的研究方法。
量子力學研究方向范文4
因為在拓撲材料、拓撲相變領域的重大貢獻，3位科學家獲得了2016年度諾貝爾物理學獎。他們分別是英美雙重國籍的戴維?索利斯，英國的鄧肯?霍爾丹及邁克爾?科斯特利茨。這3位科學家是拓撲物態研究的先驅和開創者，他們在拓撲物態的早期開創性工作，打下了這個研究方向的基礎。
想要物理好，數學離不了
在科學界有句名言：“數學是科學之母?！睅缀鯖]有哪一門自然科學的研究能夠脫離數學的支撐，物理學和數學的聯系尤其緊密。
微積分是牛頓力學的基礎，黎曼幾何是廣義相對論的基礎，微分幾何是弦理論的基礎，而量子力學的每次進展也都會有矩陣、群論這樣新的數學工具“加盟”……可以說，每當有新的數學工具被引入物理學，都會極大推動物理學的發展。
同樣，3位獲獎者的拓撲物態研究也是建立在數學研究的基礎上?！巴負洹币辉~源于數學，拓撲學是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持一些性質不變的學科，是描述局部形變下的不變性。它只考慮物體間的位置關系而不考慮它們的形狀和大小。
用橡皮泥來解釋拓撲物態
后來，科學家將拓撲的概念運用于物理研究。比如，某個拓撲材料的細節發生了細小的變化，但是其性質、功能依然保持。這就是物理學中的拓撲物態理論。
3位獲獎科學家研究的拓撲物態聽起來似乎特別深奧，不過我們可以用簡單的例子來理解它。想象一下，有一個橡皮泥做的球，把它揉一揉，捏一捏，通過小的形變，就可以把球面變成一個正方體的表面，但是卻不能把它變成一個面包圈的表面。
因為，如果要變成面包圈的表面形狀，就必須要把球面戳一個洞，這也就打破了這個表面的連續性。再換成專業詞匯來表達，即球面和正方體表面，具有相同的“拓撲性質”；而球面和面包圈表面，具有不同的“拓撲性質”。
推開物質世界的奇異大門
通過這樣一個形象的例子，你大概會對物質的拓撲性質有了一個基本的理解吧。那么，這3位獲獎科學家究竟做了什么？原來，他們的主要工作是發現物質存在一種新的相變――拓撲相變。
我們首先了解一下什么是相變。簡單地說，相變就是物質從一種形態轉變為另一種形態的過程。與固體、液體、氣體3種我們常見的形態相對應，物質通常有固相、液相、氣相，這3種形態的相互轉換就是相變。
20世紀70年代以前，物理學家普遍認為，相變一般只能存在于三維材料（表現為我們常見的物質）中，而二維材料（表現為厚度只有一個分子或原子的超級薄膜材料）通常不存在相變。但是在1972年，科斯特利茨和他的博士后導師索利斯就了這種說法。他們發現通過拓撲的方法，二維的材料也可以發生相變，并將這種特殊的相變稱為拓撲相變。隨后，霍爾丹在對磁性原子鏈進行分析時發現，利用拓撲的方法，可以讓細得直徑只有一個原子的線性材料發生相變。也就是說，索利斯和科斯特利茨發現的是二維材料的拓撲相變，而霍爾丹發現的是一維材料的拓撲相變。
期待未來的拓撲技術革命
雖然獲得本次諾貝爾物理學獎的研究成果已發表30余年，但其應用在今天仍具有極其重要的科學意義，因此被學術界公認而毫無爭議。諾貝爾物理學獎評委會稱，3位獲獎者的開拓性工作“推動了凝聚態物理學中的前沿研究，拓撲材料將很可能用于新一代電子器件、超導體和量子計算機”。
拓撲理論的一個重要應用是量子計算機。現在實現量子計算最大的困難在于量子態非常脆弱，如果要保證計算穩定進行，必須使用特殊手段抵御外界的干擾。但是基于拓撲理論的量子計算機將信息存儲在穩定的拓撲態里，在很大程度上不受外界干擾，因此提供了實現量子計算的捷徑。
如果能夠將拓撲絕緣體材料制成手機芯片，那么就有希望解決手機在長時間充電，或是連續使用時間過長后變得發燙的問題。這是由于拓撲絕緣體材料是一種邊界上導電、體內絕緣體的新型量子材料，在導電過程中不會發熱。
量子力學研究方向范文5
關鍵詞： 普通高校 材料學專業 大學物理課程 教學改革
物理學是最基本的、包羅萬象的一門學科，它對整個科學的發展有著深遠的影響。物理是材料學發展的基礎，材料學的發展離不開物理，最新的研究方向更是從偏重化學試驗轉向偏重物理分析。因為物理學在所有現象中起著基本的作用，許多領域的學生都要學習物理學。大學物理課程不僅可以提供物理學的基本內容，而且可以訓練學生的實驗、計算、邏輯思維等方面的能力，培養學生分析問題、解決問題的能力?？捎捎谡n時限制，大部分學生無法在課堂上完成全部的大學物理內容的學習，無法有效建立起比較完整的物理思想。因此，有必要對現有的課程體系和教學內容作出調整、壓縮、補充，進一步提高普通高校的教育質量。
1.普通高校大學物理教學現狀分析
1.1學生缺乏學習動力
當今社會功利主義思想盛行，大部分學生在學學物理時，不能理解其重要性，認為專業和以后的工作都與大學物理沒什么聯系，只為拿到學分勉強學習。上課不認真、學習其他課程甚至逃課，課后抄襲作業甚至不寫作業，考試時作弊等現象比比皆是。
1.2教材更新速度慢
目前，大部分學校使用的教材都是沿用上個世紀的教材體系，只添加少許現代科技發展的簡介，缺乏足夠的吸引力，太多的內容與現在日益減少的課時存在矛盾。
1.3對各學科內容無差異
現在，絕大部分學校在安排大學物理課程時，都是由物理系統一安排，對各專業、學科不加區分，讓學生無法體會本門課程與自身專業的聯系，從而無法激發學生的學習興趣［1］。
2.普通高校材料學專業大學物理教學改革的探索
2.1普通高校材料學專業大學物理教學改革的主要依據
材料學的發展離不開物理。材料學離開物理就會走入歧途，物理學不僅對現有材料學問題有著指導性作用，而且能影響材料學朝著夢想不到的方向前進。
相對而言，材料學學習更加枯燥、深奧，缺少趣味性，強調的是抽象思維和實踐結果；而物理則形象、系統得許多。大學物理解決的問題相比中學時所學的更實際，大部分是為解決日常生活中常見的現象、問題。少了對數學公式的嚴密證明，主要是要了解公式的物理意義及其實用性，因而更有趣味性，更能激發學生的學習興趣。
現在大部分物理老師把物理當數學來講，將物理本身的趣味性全部丟棄，而著重于物理規律內在的聯系和整個物理體系的嚴密性，無法充分調動學生的主觀能動性，達不到好的教學效果。材料學專業的同學相對其他專業的學生，要求對物理學工具掌握得更好，并有一定的邏輯推理能力，所以講課時可以更注重對物理現象的描述、分析，并由此建立方程的物理過程的講解，而對具體解題過程弱化處理，幫助學生建立一定的物理思想，能用物理學工具解決材料學問題。
2.2普通高校大學物理教學改革的具體建議
我結合教學經驗，建議針對材料學專業學生將大學物理課程內容做如下補充和調整。
2.2.1數學篇。
在課程開始前，要補充相關數學知識。材料學專業的學生，一般大學物理開得早，高等數學還沒有學完整，而大學物理課程是建筑在高等材料學基礎上的，在物理課前補充說明相應的數學知識是很有必要的。否則學生們在理解問題的物理過程時，會因為數學知識不足而不能理解整個解題過程，教學效果也會很不理想。
這部分知識主要是重建微元概念及矢量模式。與純數學不同，物理中的數學公式、變量更強調物理意義，一些量可以存在于數學中，卻因為沒有物理意義，必須在物理問題中舍去。最簡單常見的就是物理中一般是不存在負數時間的，但數學中卻允許它存在，在介紹微元概念時要區別于數學中的概念，強調它們的物理意義。在建立方程時更要關注是否有物理意義，方程兩邊量綱是否一致，等等。
另一個要重建的就是矢量概念，數學中矢量重點在于代數結果，忽略了方向問題。物理課前要重點強調矢量運算時結果的方向變化。
2.2.2力學、狹義相對論篇。
力學部分知識是經典物理的基礎，也是同學們在高中階段有所了解的部分，但大學物理增加了知識容量，可以解決一些更加實際的問題。這部分知識的重點在于物理概念的由來、原始定義、使用范圍。利用物理規律，大部分現實問題可以通過建立合適的數學模型得以解決。對材料學專業的同學，更多練習要利用原始概念通過微積分計算物理量，而對各種守恒規律簡化計算的練習可適量減少。
除了傳統的內容外，對材料學專業的同學可以適量補充流體力學、材料力學的內容，讓同學們熟悉矩陣運算的方法。
而狹義相對論與材料學關系不大且難以理解，可略去不講。
2.2.3光學篇。
通用教材中力學部分大都包括振動、波動內容，介紹完這部分可以直接講解光學內容。因為力學部分補充了大量內容，按一般習慣講解熱學部分或是電磁學部分，課時不夠，講解不充分，效果也不好。尤其對材料學專業學生，熱學部分是需要重點介紹的，涉及概率統計的內容，如果放在第一學期是講不完的，到第二學期再接著講學生大都忘得差不多了，所以不如先講解光學部分，可以完整講完，這樣有助于學生建立比較完整的概念體系。
此外，在波動部分大部分教材都沒有涉及波速的問題，而材料力學牽涉到波速的問題，所以應該對波速只取決于介質本身性質，而與其傳遞的振動無關做一個簡單的推導。
對材料學專業的學生，光學部分應著重介紹光譜分析與應用方面，并對最新的材料檢驗手段及其基本原理稍做介紹。
第一學期包括上述三個部分的內容，重點在于讓學生們理解物理定義，掌握各定義、定理、定律之間的邏輯關系，了解抽象的材料學公式中蘊含的物理意義，培養學生的物理思維能力，能對實際問題提出其中包含的物理過程并尋找物理解釋。
2.2.4熱學篇。
幫助學生理解概率統計在科學研究領域的作用。在微觀領域，由于參與的粒子量巨大，已經無法利用分析單個粒子的物理性質再外推到整個系統的傳統做法，必須用到統計概念，理解大量的偶然性中蘊含的必然性，看到完全無規則的微觀粒子卻在系統的宏觀層面顯示出了穩恒的現象特征。
在介紹熱力學第一定律時補充焓的概念，介紹熱力學第二定律時補充熵的概念，因為熵與焓都是材料學中常用的表征材料特性的物理量。
2.2.5電磁學篇。
電磁學體系相對完整、嚴密，可在數學上完成推導并嚴格證明。講解時要避免上成數學課，必須強調物理概念、過程、思想。同時要說明所有的規律不僅是推導出來的，而且是經過實驗證實的，要簡要介紹對應的實驗方法、儀器、結論，并要看到數學工具對物理學發展的積極作用――有時可以預測還沒被發現的物理現象、規律，可以應用到以后的材料學研究中。但這部分內容整體上與材料學關系不太密切，可以略講，留出時間講解量子力學部分。
2.2.6量子力學篇。
這兩部分內容相對材料學專業學生關系重大，且內容復雜，如時間不夠，可僅介紹其基本思想、理論、方法，以及具體應用；如果時間充裕，最好可以系統、詳盡地介紹量子力學及原子物理初步的知識，引入一部分固體物理的內容，著重介紹分析問題的方法、步驟，對材料專業的學生更有幫助。
普通高校的學生學學物理的主動性一般，大部分學生還是沿用高中時期的學習方式跟隨老師的課堂教學學習。大學物理課程內容多，無法對學生一一詳細介紹。為保證一定的學習效果，必須對課本內容有所取舍。因為什么都教的結果必然是學生什么都學不會，不如大膽取舍，讓學生對所教授的內容有系統的、深入的了解。
參考文獻：
量子力學研究方向范文6
西南科技大學利用地處西部核科技單位密集區域的優勢，采用區域產學研聯合辦學，充分利用聯合辦學單位的人才資源，聘請實踐經驗豐富，理論功底深厚的專家主講專業課程和指導學生實踐，為本專業理論及實踐教學提供良好的專業氛圍．重視實踐能力的培養，充分利用西部核工業（科研院所）優質教育資源優勢，大力實行共建與產學研聯合辦學，在中核集團821廠、中國工程物理研究院核物理與化學研究所、電離輻射計量站（國家二級站）、核應急監測中心、非放環境監測站、國家核技術工業應用工程技術研究中心、四川核工業地質局等單位建立了實踐教學基地，開展專業實踐和畢業設計（論文）實踐，接受“真槍實彈”的訓練．高度重視學生素質教育，提前與用人單位密切合作，探索建立在自愿基礎上的“訂單式”人才培養模式，培養輻射防護與核環境治理技術領域內科學基礎扎實、專業知識面寬、創新意識和實驗能力強，能扎根西部吃苦耐勞，獻身國防事業的高素質、高層次應用型技術人才．近年來，該學科領域在國家自然科學基金、863計劃和973預研等項目的支持下，開展了核廢物固化與處理、核技術與輻射生物效應等方面的研究，凝練出“核廢物處理與處置”與“輻射環境監測與評價”兩個研究方向，在核廢物與環境安全方面形成了學科特色．
在核廢物處理與處置研究方向已形成一支“放射性廢物處理與處置技術”的研究團隊．團隊近年在國家863計劃“高放廢液分離、處理工藝及關鍵設備技術研究”、國家自然科學基金“Gd2Zr2O7燒綠石的高溫高壓合成及模擬錒系核素的研究”、“放射性石墨高溫自蔓延固化機理研究”、國防基礎科研計劃“＊＊＊＊＊＊處理處置和環境修復新技術”等項目支持下，對處置高放廢物材料進行了深入研究，解決了高放廢物固化基材制備工藝復雜、耗時長等技術難題，為高放廢物的固化研究提供了一種快速、有效的技術方法．同時，團隊成員長期從事軍工及核電運行過程中所產生的中、低放廢物固化處理的工程技術研究，開發了中、低放廢物先進水泥固化、廢樹脂固化、瀝青固化、低放有機廢液處理等工程應用技術，目前承擔“山東海陽核電項目SRTF廢水處理試驗”、“高性能材料RE2Zr2O7的強韌化機制研究”等各類科研項目10余項，科研經費超過百萬元．在輻射環境監測與評價研究方向，以李華副研究員、陳敏副研究員為代表的科研團隊長期從事輻射環境監測與評價方面的研究工作，承擔了“防輻射鋇玻璃研制”、“水體及污泥中重金屬元素現場高靈敏度檢測方法的研究”、“He－3位置靈敏中子探測器研制”等地市級、校級項目10余項，累計科研經費近30萬元．
2輻射防護與環境工程專業發展方向
目前，全國開設輻射防護與環境工程本科專業的高校一共有7所，分別是清華大學、蘭州大學、哈爾濱工程大學、西南科技大學、成都理工大學、南華大學和東華理工大學．其中清華大學、蘭州大學主要培養輻射防護與環境工程方面的高級研究型人才，哈爾濱工程大學側重于核工程輻射防護人才的培養，東華理工大學、成都理工大學和南華大學主要培養核資源勘探、鈾礦開采及鈾礦地質方面的應用型輻射防護人才．西南科技大學利用局省共建與產學研聯合辦學體制的優勢，充分發揮四川核軍工與核工業的優勢資源，建成了核廢物與環境安全國防重點學科實驗室、核科學與技術本科實驗教學中心（下設核廢物處理處置、核環境安全、核電子學實驗室、核工4個實驗室），并依托環境與資源學院的“固體廢物處理與資源化”教育部重點實驗室、“環境工程自控技術”省級重點實驗室、理學院的極端條件物質特性實驗室（與中國工程物理研究院激光聚變研究中心共建）、國家核技術工業應用工程技術研究中心西南科技大學分中心以及集產學研為一體的水處理及污染控制實驗中心等多個平臺，開展輻射防護與環境工程專業的實踐教學，同時開展相關科學研究．本專業申報的二級學科碩士點“核廢物與環境安全”已獲得批準，已于2013年開始招生．西南科技大學國防科技學院立足四川、面向西部，為輻射防護與環境工程本科專業主要培養具有扎實的輻射防護、核廢物處理與處置、環境保護的基本理論和較強的輻射監測和輻射事故應急處理能力的高級應用型技術人才，要求學生就業做到“下得去、干得好、留得住”．
3繼續利用多方資源，全面提升師資隊伍素質
學校在專業建設初期就將學校原有相關學科專業人員進行整合．建設初期通過從董事單位中國工程物理研究院聘請傅依備院士、羅順忠研究員等一批專家作為外聘教師充實專業教學和科研隊伍．不斷引進博士、高級職稱人員、大型企事業單位的專業人才．設置產業教授，聘請核研究院、核企業專家作為兼職教師．2013年新聘任中科院近代物理所副所長、蘭州重離子加速器國家實驗室副主任夏佳文研究員為國防科技學院名譽院長、兼職教授，中核四〇四有限公司副總經理、總工程師胡曉丹受聘為兼職教授等．該專業教師通過到兄弟高校核專業進行課程進修、讀取博士學位、到中國工程物理研究院等單位做博士后研究、進入企業鍛煉（中國工程物理研究院、中核集團821廠、中核四四有限公司、中核五四有限公司等同意作為鍛煉單位），國際原子能機構（IAEA）培訓等方式提升專業教學和科研水平，教師的職稱結構、學歷結構明顯得以改善．目前，本專業教研室共有13名專職教師，4名副教授；45歲以下教師11名全部具有研究生學歷，其中6名具有博士學位，4名為在讀博士，教師數量基本能夠滿足教學科研需要．中級以上職稱教師至少能擔任兩門課程主講．每門專業基礎課、專業課至少有兩位教師能擔任主講．教師隊伍整體結構合理，發展趨勢良好，實踐教學環節教師隊伍配備整齊．
4堅持質量辦學，全面推進專業發展
4.1加強實驗室建設學校高度重視“核科學與技術本科實驗教學中心”的建設與發展，加大政策與經費扶持．中心總體建設規劃始于2006年，先后利用2007年的中央與地方共建（375萬元）、2009年國防緊缺專業（約400萬元）、2010年災后重建（300萬元）和2011年中央與地方共建（80萬元）等建設發展資金，主要用于涉核類本科專業教學，注重與學校核廢物與環境安全國防重點學科實驗室相結合，優化中心建設，在強化本科教學的基礎上，適當提高建設層次，與研究生科研教學銜接，減少重復建設，突出學校在核廢物處理與處置方面的特色．“核科學與技術本科實驗教學中心”下設核技術及應用實驗室、輻射探測與防護實驗室、輻射環境實驗室、核電子學實驗室、放射性廢物處理實驗室、反應堆工程與仿真實驗室、反應堆熱工流體力學實驗室9個分實驗室，擁有用于本科教學的高新儀器設備價值1000余萬元，設備200余臺套．
4.2狠抓教學管理在開辦專業之初，學院就制定了輻射防護與環境工程專業“十一五”專業建設方案、“十一五”課程建設規劃、“十一五”本科實驗室規劃等，并成立了學科發展指導委員會和教學督導組．通過專業管理，對專業特色進行凝練，把輻射監測、核廢物處理、核環境評價作為主要專業方向．根據用人單位需求和已畢業兩屆學生的反饋信息，修訂、完善培養方案，對專業主干課程初步實行國際接軌，用英語對主干課程進行介紹，增開了《核廢物安全技術》雙語課程．專業教師按專業成立課程組，定期開展教研活動，重點研討教學方法、課程知識點、如何加強學生實踐能力、學生考研、就業等．在新學期開學，就對任課教師的教學大綱、教學計劃、多媒體課件等進行全面檢查，對于上新課、新上課的教師在上課前進行試講．學院鼓勵年輕教師申報教改項目，提高教學水平．鼓勵教師吸收優秀學生參與教師科研，培養學生科研興趣．鼓勵教師提升學歷、加大人才引進，鼓勵教師到生產一線實踐，外聘高水平教師，使辦學水平不斷提高．輻射防護與環境工程專業2008和2011年先后2次獲得了“西南科技大學優秀教學管理單位”榮譽稱號．
4.3積極開展教學改革，促進專業建設發展教研室積極組建“輻射防護與環境工程校級教學團隊”，“核輻射探測學－核電子學教學團隊”，建設《原子物理與量子力學》、《核技術應用》和《放射性廢物處理與處置》校級精品課程，“輻射防護與環境工程國防緊缺專業高級應用型人才課程體系的研究與改革”項目獲學校第三屆優秀教學成果獎三等獎，“輻射防護與環境工程”專業課程體系與教學方法研究與改革項目立項為四川省教育廳2009～2012年高等教育人才培養質量和教學改革項目．積極組織教師編寫教材，2010年，羅順忠研究員主編的《核技術應用》獲西南科技大學第二屆優秀教材獎，李華副教授的《核設施退役技術》教材得到學校立項資助，2011年，唐敬友教授主編的教材《原子物理與量子力學》正式出版．本專業2007、2008級輻射防護與環境工程專業共招收學生122人，兩屆畢業生就業率達86％，攻讀碩士學位人數共32人，上研率為26．2％．
