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2017-2018-2 课程总结@USTC

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研究生的第二年，看起来比较轻松，课程数目不如上学期多

这学期在科大选修的科目包括：

  • 物理电子学导论
  • 日常交流英语
  • 固体物理实验方法（II）
  • 物质成分的光谱分析
  • 半导体光学

  • 物理电子学

按照学科分类而言，应该是应用于物理研究方面的电子学学科，包括探测器、读出电路之类，但是课程设置中也有几个纯物理学的讲座，总之都是物理、电子相关的内容，虽然课表上是一周5个课时，但实际上是每周一个讲座，共11次。考核方式是专题论文，今年最后的专题是“微/纳电子学”。

  • 日常交流英语

即EPC（English Practice Center）课程，包括DC（Daily Communication）课堂内容10周 + EPC 20课时。我的DC老师是ZOWIE，印度老奶奶，有6个子女，课程最后的考核方式是4人一组抽签话题表演。EPC的课时在网上先预约再上，可以选不同的老师，我选过的有1课时Situational Dialogue和2课时Topical Discussion，共需要20课时。

  • 固体物理实验方法（II）

也是四位老师，讲四个专题，包括IR-Raman、ARPES、STM和NMR。其中IR-Raman讲了接近半学期，时间最长，NMR最短只讲了三次课，其他约2~3周左右。IR-Raman主要内容是晶格振动光谱学，感觉还是比较受益的，讲课形式是为数不多的板书，笔记记的很多。ARPES和STM的主要介绍了原理和仪器，做了大概的了解。NMR介绍了在凝聚态物理上的应用，不只是NMRI。考核方式是闭卷考试，不过可以在打印店找到往年试题，由于闭卷的原因，考的内容有限并不太难。

  • 物质成分的光谱分析

微尺度开课，也是讲座形式，主要目的是介绍仪器和使用。三个老师，分别介绍了分子光谱、原子光谱和XRF的基本原理和仪器使用。念PPT为主，考核开卷。

  • 半导体光学

一位慈祥的老奶奶，06年癌症开刀，康复后很乐观，还有一个在MIT念CS的女儿。以Semiconductor Optics _ Claus F.Klingshirn（Third Edition）书为主，其他参考书目有，《半导体光谱和光学性质》（沈学础）。讲课以PPT为主，是Claus F.Klingshirn书的翻译，但内容编排上调整过很细致。主要内容是固体的光学性质，考核方式是个人或小组做报告，报告调研内容与课程相关，并会提一个问题，与调研的文章相关。

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有关表面等离激元讲座总结

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表面等离子体讲座总结

表面等离子体讲座总结

基本概念

体等离子体 Volume Plasmon

通过高掺杂或者强场激发，半导体中具有大量自由载流子$10^{17}$~$10^{19} cm^{-3} $。大量的自由电子气相对于具有正电荷的离子施主整体运动，形成表面等离子体。表面等离子体存在于金属或掺杂半导体中。

  • 根据Drude模型（自由电子气模型）

定义等离子体频率：$\omega^{2}{p}=\frac{ne^{2}}{\varepsilon{0}m}$

可以计算色散关系：$\omega^{2}=\omega^{2}_{p}+K^{2}c^{2}$

介电函数：$\varepsilon(\omega)=1-\frac{\omega^{2}_{p}}{\omega^{2}+i\gamma\omega}$

当$\omega<\omega_{p}$，保留金属性；

当接近$\omega_{p}$，$\omega\tau\gg1$，可忽略阻尼，介电函数：$\varepsilon(\omega)=1-\frac{\omega^{2}_{p}}{\omega^{2}}$。

  • Lorentz模型

考虑带间吸收修正，阻尼共振系统，介电函数：$\varepsilon(\omega)=1+\frac{\omega^{2}{p}}{\omega^{2}{0}-\omega^{2}-i\gamma\omega}$

表面等离子体 Surface Plasmon,SP

表面等离子体可以分为两种：

1. 表面等离极化激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）

SPP示意图

SPP本质是一种沿空气和金属表面传播的衰逝波。

最重要的色散关系：$\beta=k_{0}\sqrt{\frac{\varepsilon_{1}\varepsilon_{2}}{\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}}}$

当\beta\rightarrow\infty时：$\omega_{sp}=\frac{\omega_{p}}{\sqrt{1+\varepsilon_{2}}}$

主要参数有:

  1. $\delta_{d}$：在空气一侧的穿透深度
  2. $\delta_{m}$：金属一侧的衰减深度
  3. $\lambda_{spp}$：SPP的波长
  4. $\delta_{spp}$：沿传播方向的传播长度

SPP具有以下特点：

  1. 没有TE模，只有TM模
  2. 需要共振激发（满足动量守恒）
  3. 光场局域增强
  4. 压缩波长（ $\lambda_{spp}<\lambda_{air}$）（提高空间频率，提高分辨率，衍射极限）

由于波矢失配，不满足动量守恒，通常用光直接照射物体是不能激发SPP的。需要使用棱镜或者周期性结构进行波矢匹配（或动量匹配）。
常见的耦合方式有：

  • 棱镜耦合（某个角度发生，如全反射，沿表面的波矢分量匹配）
  • 光栅耦合（某个高阶衍射满足波矢匹配）
  • 直接近场激发（空间尺寸小，频谱宽，总有一个波矢满足）
  • 光纤消逝场激发 （？）

2. 局域表面等离子共振（Local Surface Plasmon Resonance，LSPR）

LSP示意图

通常光学研究的物体尺寸远大于光的波长，d>>λ，光可以看作直线传播。因为金属纳米颗粒尺寸远小于光的波长时，纳米金属颗粒对电磁波有散射作用。通常通过激发纳米金属颗粒，不同的形状拥有不同的极化率，从而得到不同振动模。
由于纳米颗粒或结构不连续，一般LSP不能传播。

不同金属颗粒间，LSP存在横模和纵模的耦合。

LSP的横模和纵模

各类应用

Plasmonics bridges photonics and nanoelectronics

这张图被广泛的用于说明微纳光子学的好处，兼具传统电子学和光学的体积和速度的优势。

表征及应用

SPP的表征方法，通常有：

  • 扫描近场显微镜（Scanning Near-field Optical Microscopy，SNOM）
  • 泄露模辐射显微镜（Leakage Radiation Microscopy，LRM）
  • 荧光成像（？）
  • 电子能量损失谱（Electron energy loss spectroscopy，EELS）+ 阴极荧光谱（cathodoluminescence spectroscopy）

由于SPP具有压缩波长的特性，可以用来显微成像，提高分辨率，即与SPP的观测表征方法互逆。SPP分辨率高，观测到SPP的话就代表相比普通光看的更小更清楚。两个小于衍射极限的SPP传播，传播一定距离分开后可观测，分辨率高。

金属纳米颗粒的LSP可以同来提高散射截面，将待测物质分子放在粗糙的金属或金属纳米颗粒上，增强拉曼散射，成为表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）

亚波长光波导

类似光纤，高折射率介质，夹在两个低折射率介质间，发生内全反射传播。
SPP在金属和介质（聚合物、塑料等），介质两边空气折射率小于介质，故沿介质和金属界面往前传播。
在SPP光波导的基础上，开发出了一些类似光纤的应用，波导分束、干涉、耦合等。

被动器件：制备完成后不可变。
主动器件：使用光敏、热敏的聚合物材料，制备完成后，随光、热引起变化，可作为传感器。

光学天线

IEEE对于天线定义为：“a means for radiating or receiving radio waves”（用于辐射或者接受电磁波的装置）。描述经典天线的电磁波完全由时谐的电流密度决定，常用的方法由格林函数法。

光通常用棱镜、光栅等原件，但光作为电磁波的理论，实质上是对电磁场的调控。用天线将电磁波变成导体里的电流，金属在微波和射频波段保留了金属性，视为理想导体\sigma无穷大，理想导体内部不存在电场（否则将出现无穷大的电流）。但是金属材料在微波的高频、光频必要考虑电场在导体一侧的渗入，由强耦合的电子集体震荡（体等离子）决定电磁场的响应。

光学天线和微波天线的物理机制并不完全相同，但是类比传统天线还是定义了一些光学天线的参数。

光在自由空间可以自由传播，是传播场，而在介质中不能自由传播，是衍射场，是局域的，光学天线起到作用就是就耦合传播场和局域场，有效的将传播模变成空间局域模，或相反的过程。光学天线可以看作广义上光与物质相互作用的基本概念。

因为光学天线增强吸收或辐射场，所以有望在单个量子系统水平上的控制光物质相互作用。

光学天线的制造则是随着微纳加工技术的进步成为了可能。

对于单独一根金属棒作为光学天线的描述

  • 弹簧振子，类似退极化场
  • F-P模型，在光频趋肤深度和金属棒直径相当，表面电子集体的震荡沿金属棒传播产生类表面模

参考资料

主要参考文献：

  1. Maier, Stefan A., Plasmonics: Fundamentals and Applications (New York: Springer, 2007)

  2. Klingshirn, C. F., Semiconductor Optics, 3rd ed (Berlin ; New York: Springer, 2007)

  3. Bharadwaj, Palash, Bradley Deutsch, and Lukas Novotny, ‘Optical Antennas’, Advances in Optics and Photonics, 1 (2009), 438 https://doi.org/10.1364/AOP.1.000438

  4. Biagioni, Paolo, Jer-Shing Huang, and Bert Hecht, ‘Nanoantennas for Visible and Infrared Radiation’, Reports on Progress in Physics, 75 (2012), 024402 https://doi.org/10.1088/0034-4885/75/2/024402

两次讲座主讲人分别是：

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物理电子学导论（已完结）

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这学期选修了近代物理系的《物理电子学导论》，在这里做一下课堂记录

第一讲 粒子物理电子学

粒子物理学（Particle physics）是研究组成物质和射线的基本粒子以及它们之间相互作用的一个物理学分支。

由于许多基本粒子在大自然的一般条件下不存在或不单独出现，物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能生产和研究它们，因此粒子物理学也被称为高能物理学。目前已发展出基于夸克模型的基本粒子表。

在探测时为了精度，从原子到质子中子再到使用尺度更小的粒子作为探针。

高能粒子的研究物理条件包括：

  1. 粒子加速器
  2. 探测器：（1）固定靶；（2）对撞

磁场：测量电荷、动量 电子（electronics）系统主要包括：

  1. particle detector
  2. triggering
  3. data-acquisition system
  4. accelerator and beam instrumentation

主要特征：

  • 信号快，ns或亚ns数量级
  • 随机性
  • 工作环境，处于高电场、高磁场、高本底噪声
  • 信号通道数大，千万数量级
  • 高速高精度的要求
  • 原始数据量大、持续，并且包含本底，无法全部存储处理
  • 大量数据的高速传输，120Gbps
  • 大量数据的存储处理
  • 高可靠性，长期使用（10年为周期）

详细内容可见《高等核电子学》

第二讲 微电子学

主要资料连接

这次的主题倒是和我本科所学专业相近，所以听来索然无味

授课开始，无非是从1947第一个三极管开始，transistor=trans+resistor（可变电阻），到moore定律的三种形式，再到恒定电压（CE）缩小规则。

ASIC：application specific integrated circuits PCB、FPGA和ASIC的区别 开发流程：从原理图设计到前仿真，layout连接设计与制造，版图的DRC、LVS再到整体版图的RCX，再到后仿真最后流片。

或许导论课就是这样，对于内行听来索然无味，对于外行倒是可以了解大概。

这节课的收获或许是开场的一些关于邮箱的题外话，稍正式的交流的邮箱选择，使用单位（学校）邮箱，注意命名、主题和正文的书写，签名。

第三讲 核与粒子物理实验中的数据读出

主要讲了读出电路的拓扑结构，集中式和分布式的数字化处理，更偏向计算机接口。

大数据概念近来很火，但早在核物理实验中，对于海量数据的处理早已广泛应用。

以PCI、PCI-E为主的高速计算机接口的应用，使得海量数据的处理得以实现。现代物理实验一方面重在探测器、加速器的设计制造，另一方面外围信号读取电路、信号处理技术的高速发展，同样也促进科技进步。

第四讲 地震电子学

用于地球物理的电子学测量，依旧是老话，物理电子学，物理是定于，电子学是主体。在地质勘探方面有重力法、磁力法、电法、地震法（弹性波）。

前端电子学主要有探测器、模数转换、数字传输等方面，后端则包括数据存储、数据处理。提到了后端电子学主要看重的三个指标：

  1. 功耗；
  2. 存储；
  3. 同步。

在对比SSD和HDD存储方面，提到了RAID技术，目前已经成熟并广泛应用。但他打了一个比喻，父母希望孩子又漂亮又聪明，但如果不漂亮或许聪明一点、不聪明或许回漂亮一点，但如果既不漂亮又不聪明该如何。在地质探测的数据方面，由于数据的特殊性，针对具体问题具体分析，创造性的提出了合适的数据结构，解决了数据的传输和存储的问题，相比于单纯使用SSD或HDD组成RAID有了很大的提升。或许既不漂亮、也不聪明，但也在合适的环境中，解决了问题。

第五讲 量子通信技术简介

首先介绍量子通信技术面对的需求是信息安全，然后介绍经典密码学主要有AES（Advanced Encryption Standard）和基于大数分解的RSA。

一次性密码本（One Time Pad，OTP）在经典密码学中，当密文太长时，并不实用，无法有效分发。 于是基于量子力学原理的量子密钥分发（quantum key distribution，QKD）出现了。

QKD主要有以下特点：

  • 不可克隆
  • 不可分割
  • 一次一密
  • 量子测量特性

最早也是最著名的QKD是Charles H. Bennett和Gilles Brassard在1984年提出的BB84。 理论上任何具有二能级的量子系统都可以用于量子信息，但目前主要使用光子作为量子。

可以使用光纤传输，但距离有限，也可以使用卫星，在自由空间传播。 而在量子通信系统中，单光子探测器十分重要。一般使用1550nm的光，并且接受频率在1ns（对应带宽1GHz）左右。 单光子探测器的主要指标有：

  • 探测率
  • 暗计数
  • 后端计数概率
  • 时钟分辨率

主要单光子探测器种类有：雪崩光电二极管（avalanche photodiode，APD），超导纳米线单光子探测器（SNSPD），频率上转换探测方式等。 而APD一旦雪崩会持续产生电流，为了使探测器工作在盖革模式，可以串联一个电阻。

外围电路的设计有：门控方式、射频延迟线方案、正线门控+滤波、正线门控+谐波消除、自查分等方式。 最后介绍了，该组设计的纳米结构APD，APD通常需要较厚的本征层，而不可避免的缺陷，会引起暗计数，通过制作较薄的本征层，另一方面在表面制作凹凸不平，小于光子波长的微纳结构，使入射光散射达到增加吸收的目的。

第六讲 量子计算

科目二看考场，翘了

第七讲 激光等离子体相互作用

这一讲由于老师原因，内容更加偏重物理，而不是电子学方面。 使用iPad进行了课堂笔记，见附件。

第八讲 纳米技术及纳电子学

开场白本次讲座非本人研究方向，仅作为文献总结和介绍。

纳米作为度量单位，10^-9 m

纳米技术可以分为：材料、加工和表征技术。

随着微电子技术的发展，纳电子技术是可能作为接替的新技术之一。

利用的效应也无外乎各种量子效应，量子电阻、量子电容（库伦阻塞）、隧道效应等。 最后又提到了Si→C。

属实有点无聊，浪费了一个美好的周三下午。

第九讲 激光技术及应用

主要讲了激光显示技术，具有以下优点：

  • 色彩丰富，色域广
  • 亮度高
  • 光功率高，反面散热问题

相关的技术有：

  • 小色域到大色域的非线性映射
  • 多基色显示（与过高成本的平衡）
  • 散射光抑制

显示技术的变更有过电子墨水、CRT、背光LED、LED、投影仪、激光电视（仅有蓝色激光，激发荧光粉产生绿光和红光）。激光投影显示技术是以红、绿、蓝(RGB)三基色激光为光源的显示技术。 为了抑制散射光影响，需要匀场整形。

光调制器可以分为时间调制和空间调制。

硅基液晶（LCOS）技术，反射式投射效率高。 数字光处理（Digital Light Processing，DLP）介绍了两种数字微镜（digital micromirror device，DMD）、光栅光阀（grating light valve，GLV）。

使用超光激光（fs、ns级别） 避免连续激光引起的热传导造成切口变形，超快激光切口无毛刺、切口平整 （?）柱矢量模（cylindrical vector beam，CVB） 聚焦后光斑比先偏光小

第十讲 核电子学

科目三训练，翘了

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2017-2018-1 课程总结@USTC

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研究生的第一年在科大代培，目前已经过去了一个学期，在此做一个课程总结。

这学期选修的课程包括：

  • 自然辩证法概论
  • 中国特色社会主义理论与实践研究
  • 超大规模集成电路工艺学
  • 半导体器件原理
  • 超大规模集成系统导论
  • 近代物理进展
  • 固体物理实验方法（I）
  • 光信息科学与技术实验
  • 两门政治课自不必说，汪凯的自然辩证法课堂讨论十分热烈，张勤的中特以播放视频为主，最后各交一份报告。

  • 超大规模集成电路工艺学这门课的老师是谢家纯，头发花白，年纪应该很大了，但讲课依旧十分认真。不过大部分内容还是是以课本为主，课外看书更为重要。教材则是有点陈旧，但是该有的东西都有，偏工科的课程，理论较少，最后的考核方式是开卷，注重基本概念辨析理解。

  • 半导体器件原理的老师是徐军，因为本科学过相近课程，相比而言，这位老师讲解更为细致，以往略过的细节讲解很多，但对于初学者看来可能缺乏重点。偏重器件概念的原理性解释，没有很多数学物理计算，但上课依旧会推导一边有助于理解。最后的考核方式是开卷，但题量较大。考前会有复习提纲列出重点，考虑到有来自化学、材料之类专业学生，相比而言这门课难度不算太大。

  • 超大规模集成系统导论的老师是易波，本科作为学电子工程出身的，对于这门课的背景知识比较熟悉，但是所讲授的内容则有很多不同。布置了几次作业，最后考试时交，网上搜索了一下，题目出自1978年MIT的讲义。作为导论课，质量非常高，同时需要课外阅读相关书籍。开卷考试，以授课内容为主，做好课堂笔记，比较简单。

  • 近代物理进展（Modern Physics Seminar）是讲座的形式，课程负责人韩良预约其他教授，在有关最新的物理进展方面展开讲座，有关于量子、等离子体、超导、天文等方面，虽然不是听的很懂具体原理，但是对于前沿有了很多理解。这里是本学期的讲座记录。

  • 固体物理实验方法（I）包括高压物理、薄膜制备、电镜技术和光谱技术4个专题，分别由4个老师各上一个月。高压物理是报告和考试；薄膜制备的老师上课没有吸引力，需要交报告；电镜技术讲解原理较多，考试对我来说比较难；光谱技术正好赶上期末考试月，天寒地冻，上课人较少，需要交报告。

  • 光信息科学与技术实验，共有9个实验，共4次，在BBS上注意通知，分别预约上课。实验时有助教或老师指导，比较简单，分别提交实验报告。对于非光学出身的我，还是受益颇多，有很许多感性的认识。

科大的生活还是很开心的，美中不足的是住在南区，住宿条件不如以往。上课的话则要去东区或西区，早课则需要早起十分痛苦。但是学生只要有校园卡，就可以免费坐校车。班车的时刻表大部分十分合理，在高峰期间还安排了加班公交车。此外，科大对教职工也非常好，南区对面是科大花苑，分东苑和西苑，住的大部分是科大的教职工，曾有几次坐班车遇到光电子技术的明海老师。

在二教和五教门口有许多海报，学术讲座更是很多种类、十分频繁。尝去听过几个，挺有意思。在BBS上找到了日语协会的QQ，不想这个协会尽然还活着，参加过几次周常和一次配音活动，还有一次日语K歌大赛作为观众。其他文体活动也很多，与合肥其他高校联合的也很多，并不是想象中完全死板的理工科高校。

教学资源上更是没得说，感觉在 staff.ustc.edu.cn 和home.ustc.edu.cn上能够找到不少优质的资源。科大教工FTP和学生FTP上，分享有许多精心制作的课程PPT和其他教学文档，善用”site://” 搜索技巧。

与以前本科学校相比，科大的网络简直太棒了，20元/月不限时，有很多网络出口可以选，网速也很快，更是自带google翻墙便于学术。无线网络ustcnet在东区和西区的覆盖非常广。各大文献库也一应齐全，在搜索文献时几乎没有什么阻碍。

但是馆藏资源方面，对比以前本科学校，一共可以借15本，借一次3个月，续借一次又3个月，在电子工程方面想找的书，大部分都可以找到。作为代培生，在科大一次可以借8本，借一次2个月，续借一次仅10天。而图书分布在东区、西区，有的十分不方便。书偏老，时而发现都已经被别人借走了。新书方面，倒是在二楼有个英才书院，图书按照出版社分类，有几个沙发，因为中午不方便回南区，常去那里休息。

代培是作为微电子专业，在科大物理系代培的。科大的理工科专业设置十分齐全，第四次学科评估的结果也可以看出，尤其是在数理化方面，更是令人艳羡。

转而十分后悔高中没有努力考上科大，没有享受到这么好的教学资源和学术氛围。再也没有机会在十八九岁的时候，在科大的校园里学习。而且作为工学出身，基础理论能力太弱，没有一个完善的理论知识框架，足够支撑接下去的研究工作。但现在也没有足够的时间重新再来学习一遍，只能在作研究时遇到问题，再去现学现卖，苦矣。

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Modern Physics Seminar（7）

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多铁性材料和超导

第一讲

介绍多铁性材料的磁电协同耦合。

拥有铁电、铁磁、铁弹中两种或两种以上的材料称为多铁性材料。

利用磁性多层膜的巨磁阻效应制造出了大容量的磁盘。 并发展出了自旋电子学，电子自旋散射，产生不同磁电阻。

自旋轨道相互作用，最初的原理又可以在某个苏联科学家的早期（1959年）论文中找到。 “铁磁+铁电”可以产生磁电耦合。 发展处单相多铁性、复合多铁性材料（0-3、1-3、2-2）。

界面不对称，界面原子扩散，使用人工微结构，插入层改善界面效应。

快速低耗连续调控多个非易失性的阻态。

展望：存储器、磁电耦合传感器、铁磁共振微波器件、微纳磁电马达。 人工智能与电阻非易失连续可调，比算法更像人脑。 电场、磁场、光学、应力对自旋、轨道、电荷、晶格的调控。

第二讲

超导具有零电阻和抗磁性。

主要的用途有：

  1. 超导输电；
  2. 高能粒子加速器；
  3. 国际热核聚变反应堆（ITER）；
  4. 晶体生长，材料变性；
  5. 磁悬浮列车；
  6. 核磁共振（MRI）；
  7. 超导量子干涉器（SQUID）；
  8. 超导微波器件；
  9. 超导计算机。

零电阻现象最初在1911年，4.2K温度下的Hg发生零电阻现象。

BCS theory

  1. 超导相变前后，材料结构不变
  2. 超导能隙：比热
  3. 同位素效应，电-声子相互作用判断，把两个垫子耦合在一起，Cooper对

就超导态被破坏的方式而言，超导体可以分为两类。

  1. I类超导体：一旦外加磁场突破临界磁场Hc，将发生一级相变，超导态突然消失。
  2. II类超导体：有两级相变，电阻为零时磁场可以渗透进入超导体内部，不具有完全抗磁性，渗透的磁场以涡旋的形式存在，涡旋的中心不超导，超导体其余部分依然处于超导态。

利用超导中的缺陷进行磁通钉扎，可以有效的将第二类超导用于强电。 高温超导，77K或室温 铜氧化物，利用物理加压或化学加压（元素替代导致晶胞收缩）， 高压下的金属氢也是超导体 未来需要解决的问题：

  1. 超导电子对如何配对，铁基超导中的反铁磁是否有关
  2. 超导电子的隧穿效应，超导异质结的
  3. 在强电（磁）场下的应用

老教师讲座之类比较有经验了，时间控制的比较好，内容太深的只是提一下并不深入，但也给了个可以深挖的方向，统揽全局的了解了一下多铁性材料和超导。

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Modern Physics Seminar（6）

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宇宙学

  • 第一次讲座

Theme：The very early universe & the CMB physic Standard Model：Inflation & Hot Big Bang

宇宙微波背景（cosmic microwave background，CMB）是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射，约为2.725K。

反弹宇宙学（Bounce Cosmology）connecting fundamental thories with observation。

量子涨落被拉开，波长拉长，距离边远后退相干变为经典涨落。

Concordance Model，inflationary Lambda-CDM model，共有6个基本参数和5个导出参数。

CMB polarization，E mode 、B mode BICEF instrument of the south polar

寻找原初引力波，Primordial GWs

实验方法： 卫星有年限，不方便更新升级。

地面目前有四个地点：南极、智利高原沙漠、格陵兰岛、西藏阿里。

第一次讲座总结： Today

  1. the  past decade has witnessed the era of presision cosmology
  2. the paradigm of early universe has been greatly developed
  3. Big Bang cosmology has become the Standard Model
  4. Inflation obtained a large amount of initial achievements
  5. Bounce cosmology is ambitious on solving big bang singularty

In near future

  1. Very early universe opens a window to explore fundamental physics
  2. It becomes possiblle to observationally probe physicsnear the Big Bang CMB experiments
  3. CMB experiments in the north earth is necessary
  4. China’s Ali CMB project will be hte first CMB experiment int the north earth
  • 第二次讲座

Theme：Primordial GWs & the CMB physic 提到了今年的诺贝尔物理学奖，LIGO项目于1992年立项，1999年运行，到2009年没结果，然后停机维护升级，2015年继续开机。

寻找原初引力波的动机Motivation：

  1. produced in very early time （within 10^(-30)s）
  2. linearly decouple
  3. originated from quantum fluctunations

Harmonic Analysis for CMB Polarization 弯曲时空，引力透镜，把E mode变成B mode

CMB Perfect Blackbody

相比于第一次讲座科普性的内容，第二次讲座最大的感受，宇宙学也是扎实的理科，用数学工具精准描述的，用实验装置观测，其基础理论涉及到了电动力学、流体力学、热统等物理知识，也有量子力学的内容。而且老师很年轻，很有活力，对于自己所研究的事情很有兴趣，不断地问：“不知道你们有没有这样的感受，我是感觉很兴奋的。”

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Modern Physics Seminar（5）

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空间等离子体物理。

宇宙中99%的可见物质都是等离子体，与托卡马克中的等离子体有所区别的是，空间等离子密度低，稀薄，可以看作无碰撞等离子体。

等离子会形成激波，通过电磁场来传播能量，对粒子进行加速。灾害性空间天气事件，如耀斑、磁层亚暴都与之有关。

磁重联过程是空间等离子体释放磁能的主要机制，将磁能转化为带电粒子的动能，可用Sweet-Parker模型对磁重联过程进行描述。

空间等离子体也可以看作流体，使用动力学方程。无碰撞磁重联Hall，使用磁流体力学（MHD）模型。当电子速度较小，可以看作冻结在磁力线上。当电子速度足够大，回旋半径和磁力线曲率半径。

雪崩是磁重联的触发方式。

主要的研究方法是通过卫星或卫星座对空间等离子进行观测。提出磁岛的产生和合并，还有辐射带模型，高能粒子如何形成和减少是尚未解决的问题。

空间中卫星故障，主要是单粒子效应引起，造成数字芯片的01错误，导致功能出错。在地面也可以模拟空间等离子体物理，对一些特定情况下的现象进行研究，比卫星方便灵活，但也有缺陷。

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Modern Physics Seminar（4）

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上周调休，讲座又停了一周。这周开始等离子物理专题，只讲了周二一次，周四主讲人因急事又鸽了。

磁约束聚变物理简介

首先介绍了等离子体的特性，是在固态、液态和气态以外的第四大物质状态。

具有电荷的自由性、与电磁场不可分割的集体效应的特点，常用的研究方法有热力学与统计力学、电磁场理论和电动力学，以及流体力学的方法。

气体在高温或强电磁场下，会变为等离子体。提高温度是产生等离子体的途径。以某一温度划分，如10000°C（对应1eV）可以将等离子体划分为高温等离子和低温等离子体。其中低温等离子体又可以划分为冷等离子体（非热平衡）和热等离子体（热平衡）。

简单回顾了等离子物理发展过程中的重要事件。

  • 1923年，Debye 发现等离子体屏蔽。
  • 1928年，Langmuir发现等离子体震荡。
  • 1929年，首次提出Plasma。
  • 1985年，提出“国际热核聚变实验反应堆”（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）。

利用核能主要有两种方式：

  1. 中子轰击U235，链式反应；
    2。 氘氚反应，轻核聚变。使用聚变产生的中子轰击Li，实现氚增殖，自加热。

理论上由于库仑势垒，至少需要0.48MeV能量，但由于隧道效应，并不需要那么高的能量。

简单的环形磁场并不能约束等离子体，为了消除径向漂移的损失，需要环向和角向磁场，形成螺旋形磁场，称之为螺旋变换。

典型的装置有：

  1. 托卡马克；
  2. 仿星器。

其中托卡马克的数学依据是由Poincaré提出的：偶数维单位球上的连续而又处处不为零的切向量场是不存在的（毛球定理）。

产生巨变反应的要求是：温度（T），密度（粒子数n）和约束性质（维持高温和粒子数，能量约束时间TE），聚变三重积，点火时间：n·T·TE。

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Modern Physics Seminar（3）

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上周因为主讲人出差，鸽了一周。本周听了两个数学科学学院的讲座，分别是由有关现代偏微分方程和微分几何的。

现代偏微分方程，主要介绍了方程的来历，包括显示、计算和理论证明的研究方法。根据解方程结构的不同，又可以分为椭圆方程、抛物方程和双曲方程。

基本的方程有Laplace方程、热传导方程、波动方程、Navier-Stokes方程、爱因斯坦方程、Monge-Ampère方程（超弦）等。

显示解需要方程的形式好，区域好，有良好的对称性。常用的方法有分离变量法，归结为常微分方程。虽然物理学家已经不加证明的试用了这些方程，而理论研究更关注存在性、唯一性、正则性（精度）、紧性等。

  • Dirichlet原理（1840’s）。
  • Hilbert Poincare证明存在解（1900’s）。
  • 在Sobolev空间找解（1930’s）。
  • Weierstrass反例指出，不一定存在经典解（1860’s）。
  • 原因是找解的空间太小了，要扩大空间，在Lebesgue可积函数空间（实变函数）找解，Schwartz 定义了弱导数（1940’s）。

泛函分析则是研究好的函数空间的性质。变分法与有限元有关，推动计算数学的发展。又使用物理上的概念，最小作用原理（能量最小）。这位老师本科也是物理出身，中途去读了数学的研究生，并一直从事数学工作。通过讲座，稍微解了一下现代微分方程的发展历史，具体内容还是不懂。

微分几何简介，中间有一部分很无趣，大多是定义，没有数学基础听的很痛苦，完全听不懂，都是各种概念和符号。不过理论数学还是强调了对存在性和唯一性的关注。

从Euclid几何原本开始讲起，发展到Fermat、Descartes 的解析几何，又到Gauss、Lobachevsky 。

基本的思想是，蚂蚁在纸面上是感受不到纸面弯曲的，就像人在地球上感受不到地面的弯曲。引入测地线的概念。

欧拉示性数是一个拓扑不变量，可以对进行拓扑分类。陈省身对纤维丛有奠基性的贡献，典型的有Möbiusband和Klein bottle。

陈类（Chern classes）和整数量子霍尔效应有关系。Yang–Mills理论是对Maxwell电磁场理论的推广。微分几何和现代理论物理有很强的联系，现代科学的发展也越来越需要多学科交叉融合。

然而我既不懂理论物理也不懂现代数学，这两次讲座真是听的头疼，只怪自己太弱了。

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Modern Physics Seminar（2）

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BKT相变和超流。

超流（无粘滞系数）是基于量子效应的，但讲座从统计物理的角度出发。

BKT相变是2016年诺贝尔物理学奖的内容。

简单介绍了Ising模型（自旋仅取向上或向下）和XY模型（自旋角度连续变化）。

熵和能量竞争。

发生对称性破缺（spontaneous symmetry breaking），宏观上表现为粒子只能做出同样的一个选择。

这位老师讲课很有意思，说，物理学家描述一头牛，先描述一个球，再做近似，模型从简单的开始。常用的方法就是做一做平均（mean-field theory），泰勒展开，想想保留到第几项，再算一算。 然后展示了使用Monte Carlo 模拟的结果，和理论吻合的良好，并且在128*128（约1万多个）个粒子的时候，仿真结果就非常接近实际了，真是奇妙。标度不变性。

对于Wegner模型打了一个比方，99个人挤满睡在一个长的床上，要想再睡下一个人，只能每个人稍稍移动一点。当能量很小，不足以让粒子自旋发生变化的时候，粒子会稍稍偏转一个角度。称为自旋波的激发。Wegner忽略2π的周期性，并做Fourier变换，此时公式可以看做动量空间的理想气体。

不同的拓扑相很稳定，只能通过拓扑缺陷破坏，具有抗干扰性。又提到了温度T升高，化学式μ(T)降低，超流具有喷泉效应的现象。

在二维中，拓扑是涡旋，在三维中则是封闭的管子，或者管子的两端分别在端面上。

学术之外，老师分享了两个学生的故事，一个声称喜欢物理，但是做理论的时候想着实验，做实验的时候又想着组会之类，一件事都做不好。另一个学生是冲着科大的文凭而来，但踏踏实实做好手头的事，发了文章达到毕业的要求，并且最终也成了公司经理。

也提到了对于过去后悔是没有用的，他曾经月入1000欧元（当时汇率10），可惜没有在北上广买套房子，去南方高校寻找教职碰壁，被潘邀请加入科大，终成了科大的教授。 旨在告诉我们做好眼前的事，后悔过去是没有用的，盲目担心未来会打乱现在的节奏，做好眼前的事。

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