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量子力学研究方向范文1
关键词：问题式教学法；量子力学；教学
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）24-0102-02
随着高校教学改革的不断深入，多媒体技术的普及和任课教师专业水平的提高，使得教学内容和教学手段更加丰富多样。量子力学课程是核类专业的基础课，它对于学习和理解核类专业主干课程，如原子核物理学、原子核物理实验方法等具有十分重要的作用和意义。但由于其理论性强，思维方式与经典力学差异较大，量子力学现象在日常生活中比较少见。这样就使得核类专业特别是核类工科专业的学生在学习和理解该门课程时遇到了很大的困难，也使得学生对该门课程的学习没有积极性。因而在课堂上就经常出现这样的一幕：只有老师在讲，学生思考的少，气氛压抑。如何改变这一现状呢？怎么样来调动学生的学习积极性呢？这些都是急需解决的问题。基于此，在分析量子力学与经典力学相互联系的基础上，探究并实践了由经典物理学的问题来引入量子力学学科的问题。将问题式教学法应用于量子力学的实践教学当中。这样既可以活跃课堂气氛，提高学生积极性，又可以培养学生发散性思维，同时还可以巩固学生以前学过的经典物理学的相关知识，进而能提升教学质量。
一、问题式教学法概念
问题式教学（Problem-Based Teaching）是问题式学习（Problem-Based-Learning）的发展，它鼓励学生主动思考问题、自主寻找答案，是以问题为基础来展开学习和教学过程的一种教学模式，通过学生合作解决真实问题来学习隐含在问题背后的科学知识，形成解决问题的技能，并形成自主学习的能力。PBL最早起源于20世纪50年代的医学教育，并且已经被广泛应用于数学、会计、英语等众多学科。
二、量子力学与经典物理的联系及问题式教学法在量子力学课程中的应用
经典物理可以解释天体间的相互作用、电磁波的传播以及系统的热力学平衡等自然现象。20世纪初，当人们发现了放射性现象后，在解释分子原子尺度的物理现象时，经典力学往往无能为力。因此需要建立一个全新的理论，这就是量子力学。它是阐明原子核、固体等性质的基础理论，且在化学、生物学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。在经典力学，做机械运动的物体简化为质点，位置可以用坐标系上的坐标表示。将坐标对时间求导、再求导，得到物体运动的速度■和加速度■。■=■（t） ■=■ ■=■ ①
经典物理中，描述物体运动的规律是牛顿三大定律。描述物体t时刻的状态用t时刻的位置矢量■，动量■。初始位置矢量、动量及所受到的力■知道，由牛顿运动定律就可以知道物体的运动状态。量子力学是用来描述微观粒子运动规律的一门学科。由于微观粒子运动的随机性，使得粒子的动量和位置不能同时确定。在实际的教学中就可以引入这样的问题：量子力学中是怎么样来描述粒子的状态及运动规律呢？这就要找到与经典对应的关系。这样就可以引入量子力学的波函数概念及其物理含义。波函数是描述微观粒子的状态，可以表示为如下的形式：
Ψ（x，y，z，t）=Ψ（p，r，t） ②
此时又引入一个新的问题：波函数遵循什么样的规律呢？与经典牛顿运动定律对于的定理或者定律又是什么呢？这个时候就可以用问题式的方法来引入薛定谔方程问题。
i？攸=■=-■？荦2Ψ+U（r）Ψ ③
上式子表示粒子在相互作用势为U（r）的势场中运动时，描述粒子运动状态波函数随时间的演化所满足的规律。同样，像以上这样利用问题式引入的方式来讲授量子力学课程的相关内容还有很多，如态叠加原理，表象变换等。对于态叠加原理，问题的引入：经典物理有波函数的概念，有波的叠加，那量子力学中描述物体状态的波函数是否也有叠加性，他们之间有什么异动呢？这样就可以将学生引入到量子力学中的态叠加原理的相关内容。
三、需要重视的问题
针对目前核类专业特别是核类工科专业量子力学课程的现状，我们除了将问题式教学法应用到教学实践中，还要从以下的几个方面来激起学生的兴趣，提高学生学习该门课程的积极性。
首先，需要激起学生的好奇心。其次，在解答习题中将问题式教学融入其中，要做到课堂知识和课后习题的问题式教学双覆盖。最后，需要学生知道处理量子力学问题的一般方法，同时适当鼓励学生。为了充分调动学生参与课程教学的积极性和主动性，必须在教学过程中把握学生对知识的掌握程度，对表现优异的学生进行表扬并登记，从心理层面激励其更加积极参与到教学互动中。本科阶段的量子力学是一门入门课程，是继续学习物理学的基础。只有让学生认识到了量子力学课程的重要性，才能达到预期的教学目标。
通过经典物理与量子力学的类比对应关系，在量子力学讲授相关知识时，用问题式的方式引入知识点。激发学生对该门课程的学习积极性。使用该教学方式以来，学生的学习积极性和教学质量都得到了提高，达到了教学改革的目的。
参考文献：
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[5]周世勋.量子力学教程）[M].第二版.北京：高等教育出版社，2009.
量子力学研究方向范文2
量子力学的成功和困惑
用宏观物理学的方法研究原子的性质及其相互作用时，只能通过测量微观量的平均值，大平均过程掩盖了原子水平上的重要效应。操控单个微观粒子，研究单个粒子的行为和性质以及少数粒子的相互作用，一直是就是物理学家梦寐以求的事。随着实验技术的发展，控制单个微观粒子的愿望成为可能。特别是1960年激光的发明和在这以后激光技术的发展，可以随我们所需改变激光的频率，控制激光束的延续时间并使激光束聚焦到一个原子大小的范围。从这以后，实验技术和实验方法有了极大的发展，利用激光可以使原子或离子冷却到接近绝对零度，就是使它们的运动速度减到非常小，直至几乎停止。还实现了利用特殊的电磁场来陷俘单个原子或离子。物理实验技术的进展使研究单个或少数几个粒子的性质、深入研究光子和物质粒子的相互作用有了可能。这不仅打开了高科技应用的广阔前景，还为证实和发展量子物理学的基本原理提供了实验基础。
量子力学已有100多年历史，量子力学理论取得了辉煌的成功。现代的高科技产品，如计算机芯片、激光、医用磁共振等等无不是在量子力学理论基础上发展起来的。量子力学被认为是最精确、最成功的物理理论，可是人们对量子力学的基本原理始终存在着疑问，那些创立量子力学的物理大师们自己都不满意量子力学的基本假设。在这些大师之间以及他们的后继者中，关于量子力学的理论基础是否完善的问题争论不休，新的解释层出不穷，至今还没有得出令人满意的结论。
量子力学描写微观世界的规律，但人类的直接经验都是关于宏观世界的。我们的测量仪器以及人类感官本身都是宏观物体，仪器测量到的和我们直接感知的都是大量原子组成的宏观物体。在经典物理学中，观察不影响被观察对象的运动状态，例如，我们能够观察一个行星的运动，追随它的运动轨迹，行星的状态变化与观察者无关，不受我们观察的影响。可是，对微观世界的观察就完全不是这样，当我们研究一个量子体系时，经过测量后的量子体系原来的状态总是被破坏了。例如，光子进入光电探测器后，光子就被吸收；电子被探测器件接收后，该电子原来的状态就改变了。宏观仪器对量子系统测量的结果，都必须转换为经典物理学的语言。要直接观察并且非破坏性（non-demolition）地测量量子体系的量子性质是难以做到的事情，所以，量子力学所预言的量子世界的奇特性质一直令物理学家和公众感到神秘难解。
2012年诺贝尔物理奖获得者和他们的同事们的工作，突破了经典物理学实验和人类直接经验的限制，他们直接观察到了个别粒子的量子行为。瓦因兰德小组做的是在电场中陷俘离子，用光子对它做非破坏性的操控。阿罗什小组是在空腔中陷俘单个光子，用原子进行非破坏性的测量。他们异曲同工，都对单个量子粒子进行实验测量，研究量子力学的基本原理。这些研究不仅对量子理论的基本原理的进一步阐明有重要意义，并且有广阔的应用前景。
阿罗什：把光子囚禁起来
阿罗什毕业于法国高等师范学校。1971年他在巴黎第六大学获得博士学位，导师是柯亨-塔诺季（Claude Cohen-Tannoudji），1997年诺贝尔物理学奖得主。从20世纪60年代开始阿罗什就在法国高等师范学校物理系的卡斯特勒-布罗塞尔实验室（Kastler-Brossel Laboratory）工作。该实验室是以获诺贝尔物理学奖的阿尔夫莱德・卡斯特勒（Alfred Kastler）的名字命名的。1972～1973年，阿罗什曾到美国斯坦福大学，在诺贝尔物理学奖获得者肖洛的实验室中工作。
阿罗什说，他们的成功主要得益于卡斯特勒-布罗塞尔实验室特有的学术环境和物质条件。他们组成了极其出色的研究小组，并且将共同积累的知识和技能传授给一代又一代的学生。阿罗什还说，他给研究生和本科生的讲课也有助于研究工作，在准备新课的过程中他注意到了光和物质相互作用的不同方面。阿罗什认为，国际交流学者参加研究不仅带来专门的知识和技能，也带来不同的科学文化以补充他们自身的不足。他觉得幸运的是，在长期的微观世界探索中，他和他的同事们能够自由地选择他们的研究方向，而不必勉强地提出可能的应用前景作为依据。
阿罗什小组的主要成就是发展了非破坏性的方法检测单个光子。用通常的方法检测光子，都是吸收光子并把它转换为电流（光电探测器）或转化为化学能量（照相底片）（动物的眼睛是将光子转化为神经的电脉冲的）。总之，光子被测量到后立即消失。近半个世纪以来，虽然人类发展出了量子非破坏性测量，但这些测量只能用于大量光子的情况。而阿罗什和同事们做到了反复测量记录同一个光子。
光的速度非常快，达每秒30万公里，所以要控制、测量单个光子，必须将光子关闭在一个小的区域内，并使其在足够长的时间内不逃逸或被吸收。阿罗什小组实验成功的关键是制成反射率极高的凹面镜。反射镜是在金属底板上镀以超导材料铌，镜面抛光到不平整度只有几个纳米（1纳米=100万分之一毫米），光子因镜面不平而散射逃逸的机会非常小。空腔由两个凹面镜相对安放组成，镜间距离27毫米。整个设备安置在绝对温度1度以下的环境中。一个微波光子在腔中停留时间可达十分之一秒，即在两面镜子之间来回反射10 亿次以上，差不多相当于绕地球一周。可以说阿罗什小组创造了限制在很小的有限体积内的光子寿命的世界纪录。
阿罗什小组的另一项创造性贡献是利用利用里德伯原子作为探测器，实现非破坏性测量单个光子。所谓里德伯原子，是激发到很高的能量轨道上的原子，这种原子的体积比正常原子大许多。他们用铷（原子序数37）原子，把它的价电子激发到第50层的圆形轨道上（主量子数n=50）。这种情况下，外层电子从n=50 的轨道跃迁到相邻的轨道n=49和n=51，发射或吸收微波光子频率分别为54.3GHz（千兆赫兹）和51.1GHz。正常的原子半径在0.1纳米以下，铷原子中电子占据的最外层轨道为n=5；当它的最外面的电子跑到n=50的圆形轨道上时，原子的半径达到100多纳米，原子半径增大了1000倍以上。这样的原子好比一个很大的无线电天线，容易和电磁场相互作用。
瓦因兰德：让离子停下来
瓦因兰德和阿罗什同年，都生于1944年。1965年，瓦因兰德毕业于美国加利福尼亚大学伯克利分校；1970年在哈佛大学获博士学位，博士论文题目是“氘原子微波激射器”，导师是拉姆齐（Norman Ramsey）。以后他到华盛顿大学，在德默尔特（Hans Dehmelt）的实验室做博士后研究。德默尔特是1989年诺贝尔物理奖获得者。1975年，瓦因兰德和德默尔同发表了讨论激光冷却离子的论文，这是有关激光致冷的开创性论文，被学术界同仁广泛引用，其中包括获1977年诺贝尔物理学奖的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔诺季等。
1975年，瓦因兰德到隶属于美国商业部的美国国家标准与技术研究所工作。在那里，他创建了储存离子研究小组。在过去多年的工作中，他做出了多项世界第一的研究成果，终于获得了诺贝尔物理学奖。他是15年来美国国家标准与技术研究所第四位获诺贝尔物理奖的研究人员之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。
制造量子计算机的建议方法有多种，许多科学家正在对不同的方案进行实验研究。瓦因兰德小组从事的陷俘离子的方法是最成功的方法之一。他们利用特殊排列的几个电极组合产生特定的电场，形成陷阱，将汞的一价离子限制在三个电极组成的空间中。三个电极包括两端各有一个相对的电极和一个环形电极，离子由激光束控制。
在常温下，原子运动的平均速度为每秒数百米，以这种速度运动的离子会立即逃逸出陷阱。要将离子陷俘在电场陷阱中，离子的运动速度必须非常小。只有在极低的温度下，离子或原子的运动速度才能变得很小。可以利用激光使离子冷却，使离子的速度减小到几乎停止的状态。将特定频率的激光束对着原子或离子射来的方向照射时，原子在迎面射来的光子的一次次冲击下，速度就慢了下来。当然，原子或离子吸收了光子又要再把它发射出去，发射光子时原子也要受到反冲。但原子或离子发射光子的方向是随机的，各种方向都有，结果反冲效应平均为零，只有迎面射来的光子被吸收后起到了减速的作用。但仅仅用这种方法还不能使原子速度降低到近乎停止，还要加上其他方法。速度已经很小的离子在陷阱中受电场的作用，还在以一定的频率振动，这种振动的能量和离子内部的能量状态耦合起来，形成复杂的能级。在适当频率的激光束照射下，离子吸收光子后又重新放出光子，落回原来内部能量最低的状态，同时带动离子振动能量的变化。在适当控制的条件下，重复这样的过程，就可以使离子振动能量逐步减少，直到振动能量达到最低的量子状态，离子近于完全停止。这时，离子就可以随意操控了。
瓦因兰德小组利用利用陷俘离子做成一个量子可控非门（Controlled NOT）。当然可控非门只是最简单的量子计算机的元件，一台能工作的计算机需要多得多的元件，离制成实用的量子计算机还非常遥远。然而前景是光明的，包括瓦因兰德在内的许多科学家正积极研究，攻克难关，希望在本世纪内将量子计算机研制成功。
瓦因兰德和同事们还利用陷俘的离子制造出了当今世界上最精确的原子钟。他的研究工作也可以检验量子力学基本原理，如进行“薛定谔猫”的实验。
不为盛名所惑
阿罗什和瓦因兰德有许多相同的地方。他们都在世界第一流的实验室中工作；巧的是，他们每人各有两位获诺贝尔物理学奖的老师；他们都有合作30年以上的同事组成的稳定的研究小组，还有许多优秀的学生和合作者，其中包括外国的访问学者。在他们的诺贝尔奖报告中，他们的老师、同事以及和他们的工作有密切关系的、前人的研究都一一提到。两人都还提到有100多位学生、博士后和访问学者也做出了贡献，强调成绩是大家努力的结果。
瓦因兰德和阿罗什也有一点很大的不同。阿罗什的研究目的偏重于探索自然界的奥秘，没有非常明确的应用目标，虽然他知道自己的研究成果肯定有长远的应用前景。他所属的卡斯特勒-布罗塞尔实验室也没有要求其研究一开始就必须有明确的应用目的。不过，即使在法国高等师范学校，这种待遇也只有像阿罗什这样的资深科学家才能得到。而瓦因兰德所在的美国国家标准与技术研究所本身就具有明确的实用目标：促进美国的创新和产业竞争能力，开创新的测量科学，推进美国的技术水平。该研究所的研究都是目标长远，技术含量高，能在世界上领先的项目。这些项目实际上都是结合远期应用的基础性研究。
瓦因兰德和阿罗什还有一个共同点，就是除了做研究以外，都在大学教课。阿罗什认为备课的过程促使他从多方面考虑基本原理，也有助于研究工作。而从学生的角度来看，能听到优秀的科学家讲课，和他们直接交流，不仅能学到当今前沿的科学知识，还可以学习到优秀科学家的治学精神和思想方法。
荣摘诺奖桂冠是否改变了科学家本人的生活呢？据英国广播公司（BBC）在线版消息称，阿罗什本人仅仅提前了20分钟被组委会告知自己获奖的消息。
“我很幸运，”阿罗什说，但他指的并不是自己得奖这回事，“（接到来电时）我正在一条街上，旁边就有个长椅，所以我第一时间就坐了下来。”他形容那一刻的心情，“当我看到是瑞典的来电区号，我意识到这是真实的，那种感觉，你知道，真是势不可挡。”
不过据诺奖官网的推特称，阿罗什接到获奖的确切消息后，打了个电话给自己的孩子，然后开了瓶香槟庆祝。再然后，他又回实验室工作去了。
（作者单位：复旦大学物理系）
阿罗什小组设备示意图
量子力学研究方向范文3
当计算机遇到化学……
提到化学模型，我们可能首先会联想到中学化学课上老师用塑料球和小棍搭起来的模型。现在，建模则由计算机完成。当计算机遇到化学，便形成了计算化学这一新的交叉学科。
化学研究的核心在于“化”字，即分子之间的相互转化，旧化学键断裂、新化学键生成。只有这样，才能创造出新材料，设计出新药物。可是，分子之间的转化经常发生得很快，在毫秒瞬间，电子便从一个原子核跃迁到另一个，传统的化学方式已很难捕捉这个过程，必须借助计算机这一工具。时至今日，计算机对化学家的作用已经和化学实验手段一样重要。因为计算机对化学反应的模拟能够非常逼真，化学家们已经能够通过计算机预测传统实验的结果了。
在20世纪70年代计算机还未被普及的时候，马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特及亚利耶·瓦谢尔就打造了坚实的计算机程序基础，为后人用于了解和预测化学反应进程作了强大铺垫。近年来，因为计算方法和计算机软硬件的飞速发展，在他们的基础上取得了很多的后续成果，并得到推广应用。
得益于他们的工作，我们将解开许多关于自然界的疑问。比如世界上最重要的化学反应——光合作用是怎么进行的？如果能模拟出来，那么我们就将能制造出更加高效的太阳能电池板；催化剂如何加快化学反应？如果深入了解其中的机理，我们可以尝试通过催化让水分子分解，从而开发出清洁的能源；药物如何在人体中发生作用？通过计算的方法，寻找出药物的靶点以及可能的药物干扰，我们就能设计出满足我们特定需求的理想药物。
诺贝尔“理综”奖？
如果化学反应在气相中发生，由于参与反应的分子受环境影响小，因此是理想的模型体
系（1986年，李远哲等三人因为用实验方法揭示气相化学反应微观细节而获得诺贝尔化学奖）；然而，化学反应更多是在液相，在生物体系中发生，体系自由度多，非常复杂，不容易弄清楚细节。而反映真实情况的多尺度模型可以用来研究复杂体系的分子行为，包括液相化学反应或者是生化反应。
为什么生物体系中的分子反应如此复杂呢？举例来说，“人体的一个细胞内就可有上百亿个蛋白质分子。一个大的蛋白质分子可包含上百万个原子。蛋白质内每两个原子间都有相互作用，这些原子处于不停的运动中，其情形就像北京城内同一时刻有两百万辆机动车行驶一样。计算和跟踪一个蛋白质的原子运动就像记录和监控北京的车辆一样。如此巨大的分析计算量必须借助计算机技术来存储和分析。”这番话出自中科院计算数学与科学工程计算研究所的卢本卓研究员，他的研究方向就与此次诺贝尔化学奖相关，而他原本是学物理出身。这是不是有点儿“乱套”了？当然没有，而且还恰恰反映了本届诺贝尔化学奖的交叉学科属性，即计算机、物理、数学、生物学和化学等多学科相互渗透和融合。难怪本届诺贝尔化学奖被戏称为诺贝尔“理综”奖。
这是化学的荣誉
虽然被戏称为“理综”奖，但这的的确确是属于化学的荣誉。理论化学发展到今天，其最大的组成部分就是计算化学。计算化学的基础理论大多来源于两部分：量子力学和牛顿经典力学，这两个学科在化学上的应用则分别诞生了量子化学和分子模拟两个学科。涉及电子的化学反应需要用量子化学来解决，一旦涉及到分子间的相互作用，其量子效应往往可以忽略不计，使用经典力学就足以描述，从而大大地简化了计算，这就是分子模拟。
当描述化学反应的过程时，量子力学的描述是小而精，经典力学的描述大却精度不高。如果都用高精度的方法来描述化学过程，理论上当然不错，但实际计算将难以进行。所以，多尺度组合的方法便成了最好的选择。这也体现了三位获奖者开创性工作之所在，即把两种体系中的精华部分提取了出来，并且找到了适用于二者的研究方法。
量子力学研究方向范文4
因为在拓扑材料、拓扑相变领域的重大贡献，3位科学家获得了2016年度诺贝尔物理学奖。他们分别是英美双重国籍的戴维・索利斯，英国的邓肯・霍尔丹及迈克尔・科斯特利茨。这3位科学家是拓扑物态研究的先驱和开创者，他们在拓扑物态的早期开创性工作，打下了这个研究方向的基础。
想要物理好，数学离不了
在科学界有句名言：“数学是科学之母。”几乎没有哪一门自然科学的研究能够脱离数学的支撑，物理学和数学的联系尤其紧密。
微积分是牛顿力学的基础，黎曼几何是广义相对论的基础，微分几何是弦理论的基础，而量子力学的每次进展也都会有矩阵、群论这样新的数学工具“加盟”……可以说，每当有新的数学工具被引入物理学，都会极大推动物理学的发展。
同样，3位获奖者的拓扑物态研究也是建立在数学研究的基础上。“拓扑”一词源于数学，拓扑学是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持一些性质不变的学科，是描述局部形变下的不变性。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。
用橡皮泥来解释拓扑物态
后来，科学家将拓扑的概念运用于物理研究。比如，某个拓扑材料的细节发生了细小的变化，但是其性质、功能依然保持。这就是物理学中的拓扑物态理论。
3位获奖科学家研究的拓扑物态听起来似乎特别深奥，不过我们可以用简单的例子来理解它。想象一下，有一个橡皮泥做的球，把它揉一揉，捏一捏，通过小的形变，就可以把球面变成一个正方体的表面，但是却不能把它变成一个面包圈的表面。
因为，如果要变成面包圈的表面形状，就必须要把球面戳一个洞，这也就打破了这个表面的连续性。再换成专业词汇来表达，即球面和正方体表面，具有相同的“拓扑性质”；而球面和面包圈表面，具有不同的“拓扑性质”。
推开物质世界的奇异大门
通过这样一个形象的例子，你大概会对物质的拓扑性质有了一个基本的理解吧。那么，这3位获奖科学家究竟做了什么？原来，他们的主要工作是发现物质存在一种新的相变――拓扑相变。
我们首先了解一下什么是相变。简单地说，相变就是物质从一种形态转变为另一种形态的过程。与固体、液体、气体3种我们常见的形态相对应，物质通常有固相、液相、气相，这3种形态的相互转换就是相变。
20世纪70年代以前，物理学家普遍认为，相变一般只能存在于三维材料（表现为我们常见的物质）中，而二维材料（表现为厚度只有一个分子或原子的超级薄膜材料）通常不存在相变。但是在1972年，科斯特利茨和他的博士后导师索利斯就了这种说法。他们发现通过拓扑的方法，二维的材料也可以发生相变，并将这种特殊的相变称为拓扑相变。随后，霍尔丹在对磁性原子链进行分析时发现，利用拓扑的方法，可以让细得直径只有一个原子的线性材料发生相变。也就是说，索利斯和科斯特利茨发现的是二维材料的拓扑相变，而霍尔丹发现的是一维材料的拓扑相变。
期待未来的拓扑技术革命
虽然获得本次诺贝尔物理学奖的研究成果已发表30余年，但其应用在今天仍具有极其重要的科学意义，因此被学术界公认而毫无争议。诺贝尔物理学奖评委会称，3位获奖者的开拓性工作“推动了凝聚态物理学中的前沿研究，拓扑材料将很可能用于新一代电子器件、超导体和量子计算机”。
拓扑理论的一个重要应用是量子计算机。现在实现量子计算最大的困难在于量子态非常脆弱，如果要保证计算稳定进行，必须使用特殊手段抵御外界的干扰。但是基于拓扑理论的量子计算机将信息存储在稳定的拓扑态里，在很大程度上不受外界干扰，因此提供了实现量子计算的捷径。
如果能够将拓扑绝缘体材料制成手机芯片，那么就有希望解决手机在长时间充电，或是连续使用时间过长后变得发烫的问题。这是由于拓扑绝缘体材料是一种边界上导电、体内绝缘体的新型量子材料，在导电过程中不会发热。
量子力学研究方向范文5
关键词： 普通高校 材料学专业 大学物理课程 教学改革
物理学是最基本的、包罗万象的一门学科，它对整个科学的发展有着深远的影响。物理是材料学发展的基础，材料学的发展离不开物理，最新的研究方向更是从偏重化学试验转向偏重物理分析。因为物理学在所有现象中起着基本的作用，许多领域的学生都要学习物理学。大学物理课程不仅可以提供物理学的基本内容，而且可以训练学生的实验、计算、逻辑思维等方面的能力，培养学生分析问题、解决问题的能力。可由于课时限制，大部分学生无法在课堂上完成全部的大学物理内容的学习，无法有效建立起比较完整的物理思想。因此，有必要对现有的课程体系和教学内容作出调整、压缩、补充，进一步提高普通高校的教育质量。
1.普通高校大学物理教学现状分析
1.1学生缺乏学习动力
当今社会功利主义思想盛行，大部分学生在学学物理时，不能理解其重要性，认为专业和以后的工作都与大学物理没什么联系，只为拿到学分勉强学习。上课不认真、学习其他课程甚至逃课，课后抄袭作业甚至不写作业，考试时作弊等现象比比皆是。
1.2教材更新速度慢
目前，大部分学校使用的教材都是沿用上个世纪的教材体系，只添加少许现代科技发展的简介，缺乏足够的吸引力，太多的内容与现在日益减少的课时存在矛盾。
1.3对各学科内容无差异
现在，绝大部分学校在安排大学物理课程时，都是由物理系统一安排，对各专业、学科不加区分，让学生无法体会本门课程与自身专业的联系，从而无法激发学生的学习兴趣［1］。
2.普通高校材料学专业大学物理教学改革的探索
2.1普通高校材料学专业大学物理教学改革的主要依据
材料学的发展离不开物理。材料学离开物理就会走入歧途，物理学不仅对现有材料学问题有着指导性作用，而且能影响材料学朝着梦想不到的方向前进。
相对而言，材料学学习更加枯燥、深奥，缺少趣味性，强调的是抽象思维和实践结果；而物理则形象、系统得许多。大学物理解决的问题相比中学时所学的更实际，大部分是为解决日常生活中常见的现象、问题。少了对数学公式的严密证明，主要是要了解公式的物理意义及其实用性，因而更有趣味性，更能激发学生的学习兴趣。
现在大部分物理老师把物理当数学来讲，将物理本身的趣味性全部丢弃，而着重于物理规律内在的联系和整个物理体系的严密性，无法充分调动学生的主观能动性，达不到好的教学效果。材料学专业的同学相对其他专业的学生，要求对物理学工具掌握得更好，并有一定的逻辑推理能力，所以讲课时可以更注重对物理现象的描述、分析，并由此建立方程的物理过程的讲解，而对具体解题过程弱化处理，帮助学生建立一定的物理思想，能用物理学工具解决材料学问题。
2.2普通高校大学物理教学改革的具体建议
我结合教学经验，建议针对材料学专业学生将大学物理课程内容做如下补充和调整。
2.2.1数学篇。
在课程开始前，要补充相关数学知识。材料学专业的学生，一般大学物理开得早，高等数学还没有学完整，而大学物理课程是建筑在高等材料学基础上的，在物理课前补充说明相应的数学知识是很有必要的。否则学生们在理解问题的物理过程时，会因为数学知识不足而不能理解整个解题过程，教学效果也会很不理想。
这部分知识主要是重建微元概念及矢量模式。与纯数学不同，物理中的数学公式、变量更强调物理意义，一些量可以存在于数学中，却因为没有物理意义，必须在物理问题中舍去。最简单常见的就是物理中一般是不存在负数时间的，但数学中却允许它存在，在介绍微元概念时要区别于数学中的概念，强调它们的物理意义。在建立方程时更要关注是否有物理意义，方程两边量纲是否一致，等等。
另一个要重建的就是矢量概念，数学中矢量重点在于代数结果，忽略了方向问题。物理课前要重点强调矢量运算时结果的方向变化。
2.2.2力学、狭义相对论篇。
力学部分知识是经典物理的基础，也是同学们在高中阶段有所了解的部分，但大学物理增加了知识容量，可以解决一些更加实际的问题。这部分知识的重点在于物理概念的由来、原始定义、使用范围。利用物理规律，大部分现实问题可以通过建立合适的数学模型得以解决。对材料学专业的同学，更多练习要利用原始概念通过微积分计算物理量，而对各种守恒规律简化计算的练习可适量减少。
除了传统的内容外，对材料学专业的同学可以适量补充流体力学、材料力学的内容，让同学们熟悉矩阵运算的方法。
而狭义相对论与材料学关系不大且难以理解，可略去不讲。
2.2.3光学篇。
通用教材中力学部分大都包括振动、波动内容，介绍完这部分可以直接讲解光学内容。因为力学部分补充了大量内容，按一般习惯讲解热学部分或是电磁学部分，课时不够，讲解不充分，效果也不好。尤其对材料学专业学生，热学部分是需要重点介绍的，涉及概率统计的内容，如果放在第一学期是讲不完的，到第二学期再接着讲学生大都忘得差不多了，所以不如先讲解光学部分，可以完整讲完，这样有助于学生建立比较完整的概念体系。
此外，在波动部分大部分教材都没有涉及波速的问题，而材料力学牵涉到波速的问题，所以应该对波速只取决于介质本身性质，而与其传递的振动无关做一个简单的推导。
对材料学专业的学生，光学部分应着重介绍光谱分析与应用方面，并对最新的材料检验手段及其基本原理稍做介绍。
第一学期包括上述三个部分的内容，重点在于让学生们理解物理定义，掌握各定义、定理、定律之间的逻辑关系，了解抽象的材料学公式中蕴含的物理意义，培养学生的物理思维能力，能对实际问题提出其中包含的物理过程并寻找物理解释。
2.2.4热学篇。
帮助学生理解概率统计在科学研究领域的作用。在微观领域，由于参与的粒子量巨大，已经无法利用分析单个粒子的物理性质再外推到整个系统的传统做法，必须用到统计概念，理解大量的偶然性中蕴含的必然性，看到完全无规则的微观粒子却在系统的宏观层面显示出了稳恒的现象特征。
在介绍热力学第一定律时补充焓的概念，介绍热力学第二定律时补充熵的概念，因为熵与焓都是材料学中常用的表征材料特性的物理量。
2.2.5电磁学篇。
电磁学体系相对完整、严密，可在数学上完成推导并严格证明。讲解时要避免上成数学课，必须强调物理概念、过程、思想。同时要说明所有的规律不仅是推导出来的，而且是经过实验证实的，要简要介绍对应的实验方法、仪器、结论，并要看到数学工具对物理学发展的积极作用――有时可以预测还没被发现的物理现象、规律，可以应用到以后的材料学研究中。但这部分内容整体上与材料学关系不太密切，可以略讲，留出时间讲解量子力学部分。
2.2.6量子力学篇。
这两部分内容相对材料学专业学生关系重大，且内容复杂，如时间不够，可仅介绍其基本思想、理论、方法，以及具体应用；如果时间充裕，最好可以系统、详尽地介绍量子力学及原子物理初步的知识，引入一部分固体物理的内容，着重介绍分析问题的方法、步骤，对材料专业的学生更有帮助。
普通高校的学生学学物理的主动性一般，大部分学生还是沿用高中时期的学习方式跟随老师的课堂教学学习。大学物理课程内容多，无法对学生一一详细介绍。为保证一定的学习效果，必须对课本内容有所取舍。因为什么都教的结果必然是学生什么都学不会，不如大胆取舍，让学生对所教授的内容有系统的、深入的了解。
参考文献：
量子力学研究方向范文6
西南科技大学利用地处西部核科技单位密集区域的优势，采用区域产学研联合办学，充分利用联合办学单位的人才资源，聘请实践经验丰富，理论功底深厚的专家主讲专业课程和指导学生实践，为本专业理论及实践教学提供良好的专业氛围．重视实践能力的培养，充分利用西部核工业（科研院所）优质教育资源优势，大力实行共建与产学研联合办学，在中核集团821厂、中国工程物理研究院核物理与化学研究所、电离辐射计量站（国家二级站）、核应急监测中心、非放环境监测站、国家核技术工业应用工程技术研究中心、四川核工业地质局等单位建立了实践教学基地，开展专业实践和毕业设计（论文）实践，接受“真枪实弹”的训练．高度重视学生素质教育，提前与用人单位密切合作，探索建立在自愿基础上的“订单式”人才培养模式，培养辐射防护与核环境治理技术领域内科学基础扎实、专业知识面宽、创新意识和实验能力强，能扎根西部吃苦耐劳，献身国防事业的高素质、高层次应用型技术人才．近年来，该学科领域在国家自然科学基金、863计划和973预研等项目的支持下，开展了核废物固化与处理、核技术与辐射生物效应等方面的研究，凝练出“核废物处理与处置”与“辐射环境监测与评价”两个研究方向，在核废物与环境安全方面形成了学科特色．
在核废物处理与处置研究方向已形成一支“放射性废物处理与处置技术”的研究团队．团队近年在国家863计划“高放废液分离、处理工艺及关键设备技术研究”、国家自然科学基金“Gd2Zr2O7烧绿石的高温高压合成及模拟锕系核素的研究”、“放射性石墨高温自蔓延固化机理研究”、国防基础科研计划“＊＊＊＊＊＊处理处置和环境修复新技术”等项目支持下，对处置高放废物材料进行了深入研究，解决了高放废物固化基材制备工艺复杂、耗时长等技术难题，为高放废物的固化研究提供了一种快速、有效的技术方法．同时，团队成员长期从事军工及核电运行过程中所产生的中、低放废物固化处理的工程技术研究，开发了中、低放废物先进水泥固化、废树脂固化、沥青固化、低放有机废液处理等工程应用技术，目前承担“山东海阳核电项目SRTF废水处理试验”、“高性能材料RE2Zr2O7的强韧化机制研究”等各类科研项目10余项，科研经费超过百万元．在辐射环境监测与评价研究方向，以李华副研究员、陈敏副研究员为代表的科研团队长期从事辐射环境监测与评价方面的研究工作，承担了“防辐射钡玻璃研制”、“水体及污泥中重金属元素现场高灵敏度检测方法的研究”、“He－3位置灵敏中子探测器研制”等地市级、校级项目10余项，累计科研经费近30万元．
2辐射防护与环境工程专业发展方向
目前，全国开设辐射防护与环境工程本科专业的高校一共有7所，分别是清华大学、兰州大学、哈尔滨工程大学、西南科技大学、成都理工大学、南华大学和东华理工大学．其中清华大学、兰州大学主要培养辐射防护与环境工程方面的高级研究型人才，哈尔滨工程大学侧重于核工程辐射防护人才的培养，东华理工大学、成都理工大学和南华大学主要培养核资源勘探、铀矿开采及铀矿地质方面的应用型辐射防护人才．西南科技大学利用局省共建与产学研联合办学体制的优势，充分发挥四川核军工与核工业的优势资源，建成了核废物与环境安全国防重点学科实验室、核科学与技术本科实验教学中心（下设核废物处理处置、核环境安全、核电子学实验室、核工4个实验室），并依托环境与资源学院的“固体废物处理与资源化”教育部重点实验室、“环境工程自控技术”省级重点实验室、理学院的极端条件物质特性实验室（与中国工程物理研究院激光聚变研究中心共建）、国家核技术工业应用工程技术研究中心西南科技大学分中心以及集产学研为一体的水处理及污染控制实验中心等多个平台，开展辐射防护与环境工程专业的实践教学，同时开展相关科学研究．本专业申报的二级学科硕士点“核废物与环境安全”已获得批准，已于2013年开始招生．西南科技大学国防科技学院立足四川、面向西部，为辐射防护与环境工程本科专业主要培养具有扎实的辐射防护、核废物处理与处置、环境保护的基本理论和较强的辐射监测和辐射事故应急处理能力的高级应用型技术人才，要求学生就业做到“下得去、干得好、留得住”．
3继续利用多方资源，全面提升师资队伍素质
学校在专业建设初期就将学校原有相关学科专业人员进行整合．建设初期通过从董事单位中国工程物理研究院聘请傅依备院士、罗顺忠研究员等一批专家作为外聘教师充实专业教学和科研队伍．不断引进博士、高级职称人员、大型企事业单位的专业人才．设置产业教授，聘请核研究院、核企业专家作为兼职教师．2013年新聘任中科院近代物理所副所长、兰州重离子加速器国家实验室副主任夏佳文研究员为国防科技学院名誉院长、兼职教授，中核四〇四有限公司副总经理、总工程师胡晓丹受聘为兼职教授等．该专业教师通过到兄弟高校核专业进行课程进修、读取博士学位、到中国工程物理研究院等单位做博士后研究、进入企业锻炼（中国工程物理研究院、中核集团821厂、中核四四有限公司、中核五四有限公司等同意作为锻炼单位），国际原子能机构（IAEA）培训等方式提升专业教学和科研水平，教师的职称结构、学历结构明显得以改善．目前，本专业教研室共有13名专职教师，4名副教授；45岁以下教师11名全部具有研究生学历，其中6名具有博士学位，4名为在读博士，教师数量基本能够满足教学科研需要．中级以上职称教师至少能担任两门课程主讲．每门专业基础课、专业课至少有两位教师能担任主讲．教师队伍整体结构合理，发展趋势良好，实践教学环节教师队伍配备整齐．
4坚持质量办学，全面推进专业发展
4.1加强实验室建设学校高度重视“核科学与技术本科实验教学中心”的建设与发展，加大政策与经费扶持．中心总体建设规划始于2006年，先后利用2007年的中央与地方共建（375万元）、2009年国防紧缺专业（约400万元）、2010年灾后重建（300万元）和2011年中央与地方共建（80万元）等建设发展资金，主要用于涉核类本科专业教学，注重与学校核废物与环境安全国防重点学科实验室相结合，优化中心建设，在强化本科教学的基础上，适当提高建设层次，与研究生科研教学衔接，减少重复建设，突出学校在核废物处理与处置方面的特色．“核科学与技术本科实验教学中心”下设核技术及应用实验室、辐射探测与防护实验室、辐射环境实验室、核电子学实验室、放射性废物处理实验室、反应堆工程与仿真实验室、反应堆热工流体力学实验室9个分实验室，拥有用于本科教学的高新仪器设备价值1000余万元，设备200余台套．
4.2狠抓教学管理在开办专业之初，学院就制定了辐射防护与环境工程专业“十一五”专业建设方案、“十一五”课程建设规划、“十一五”本科实验室规划等，并成立了学科发展指导委员会和教学督导组．通过专业管理，对专业特色进行凝练，把辐射监测、核废物处理、核环境评价作为主要专业方向．根据用人单位需求和已毕业两届学生的反馈信息，修订、完善培养方案，对专业主干课程初步实行国际接轨，用英语对主干课程进行介绍，增开了《核废物安全技术》双语课程．专业教师按专业成立课程组，定期开展教研活动，重点研讨教学方法、课程知识点、如何加强学生实践能力、学生考研、就业等．在新学期开学，就对任课教师的教学大纲、教学计划、多媒体课件等进行全面检查，对于上新课、新上课的教师在上课前进行试讲．学院鼓励年轻教师申报教改项目，提高教学水平．鼓励教师吸收优秀学生参与教师科研，培养学生科研兴趣．鼓励教师提升学历、加大人才引进，鼓励教师到生产一线实践，外聘高水平教师，使办学水平不断提高．辐射防护与环境工程专业2008和2011年先后2次获得了“西南科技大学优秀教学管理单位”荣誉称号．
4.3积极开展教学改革，促进专业建设发展教研室积极组建“辐射防护与环境工程校级教学团队”，“核辐射探测学－核电子学教学团队”，建设《原子物理与量子力学》、《核技术应用》和《放射性废物处理与处置》校级精品课程，“辐射防护与环境工程国防紧缺专业高级应用型人才课程体系的研究与改革”项目获学校第三届优秀教学成果奖三等奖，“辐射防护与环境工程”专业课程体系与教学方法研究与改革项目立项为四川省教育厅2009～2012年高等教育人才培养质量和教学改革项目．积极组织教师编写教材，2010年，罗顺忠研究员主编的《核技术应用》获西南科技大学第二届优秀教材奖，李华副教授的《核设施退役技术》教材得到学校立项资助，2011年，唐敬友教授主编的教材《原子物理与量子力学》正式出版．本专业2007、2008级辐射防护与环境工程专业共招收学生122人，两届毕业生就业率达86％，攻读硕士学位人数共32人，上研率为26．2％．
