litceysel.ru
добавить свой файл
1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ


Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»


Радиофизический факультет

Кафедра радиотехники


УТВЕРЖДАЮ

Декан радиофизического факультета


____________________Якимов А.В.

«18» мая 2011 г.


Учебная программа


Дисциплины М2.Р4 «Квантовая радиотехника»


по направлению 011800 «Радиофизика»


магистерская программа «Информационные процессы и системы»


Нижний Новгород

2011 г.

1. Цели и задачи дисциплины

Курс ставит своей задачей продолжение обучения в рамках цикла «Радиоэлектроники и радиофизических измерений». Только с учетом квантово-механических явлений можно понять работу новейших, наиболее перспективных устройств (таких как квантовый магнитометр, квазичастичные детекторы и преобразователи частоты, квантовые генераторы и пр.). Квантовые эффекты определяют фундаментальные пределы в измерениях физических величин, независимо от устройства используемых приборов, и дают возможность создания стандартов для измерений. Наконец, многие физические парадоксы, порожденные необоснованным применением принципов классической физики, разрешаются только на основе квантово-механических представлений. Студенты должны изучить физические принципы работы уже действующих приборов и устройств, использующих квантовые явления, а также ознакомиться с новыми физическими явлениями, обещающими достижение существенно лучших результатов в измерениях физических величин.

Курс построен таким образом, чтобы привлечь студентов к самостоятельному изучению заинтересовавших их проблем квантовой радиотехники. В связи с этим им предлагается подготовить рефераты, трактующие расширенно темы курса или посвященные аналогичным темам, не вошедшим в курс лекций. Темы рефератов могут быть также рекомендованы самим лектором.


Курс опирается на материалы курсов общей физики (электричество и оптика), квантовая механика, электродинамика и теория излучения, статистическая радиофизика , радиотехника.


2. Место дисциплины в структуре магистерской программы

Дисциплина «Квантовая радиотехника» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011800 «Радиофизика».


3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:


  • способностью использовать базовые знания и навыки управления информацией для решения исследовательских профессиональных задач, соблюдать основные требования информационной безопасности, защиты государственной тайны (ОК-l0);

  • способность к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и радиофизики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своим профилем подготовки) (ПК-1);

  • способность к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);

  • способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики (ПК-3);

  • способность самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики (в соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-4).


В результате изучения дисциплины студенты должны усвоить следующие сведения.
  • Условия и пределы применимости классической физики при описании волновых явлений.


  • Методы разрешения физических парадоксов, возникающих при необоснованном применении подходов классической физики к различным физическим явлениям.

  • Принципы работы физических устройств, основанные на квантово-механических явлениях.

  • Фундаментальные пределы точности измерений физических величин, налагаемые квантовым соотношением неопределенностей.

  • Основы построения стандартов для измерений физических величин и их связи с фундаментальными константами.


4.Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.


Виды учебной работы

Всего часов

Семестры

Общая трудоемкость дисциплины

108

10

Аудиторные занятия

32

32

Лекции

32

32

Практические занятия (ПЗ)

0

0

Семинары (С)

0

0

Лабораторные работы (ЛР)

0

0

Другие виды аудиторных занятий

0

0

Самостоятельная работа


40

40

Курсовой проект (работа)

0

0

Расчетно-графическая работа

0

0

Реферат

0

0

Другие виды самостоятельной работы

0

0

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

экзамен (36)

экзамен (36)


5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий


№ п/п

Раздел дисциплины

Лекции

ПЗ (или С)

ЛР

1

Введение.

2







2

Фундаментальные пределы в точности измерений физических величин.

4







3

О параметрах некоторых радиотехнических устройств.


8







4

Предельная пропускная способность канала связи.

3







5

Квантово-механическое описание равновесных флуктуаций (ФДТ).

3







6

Стандарты физических величин на основе квантовых явлений.

3







7

Предел время-частотного разрешения при анализе нестационарных сигналов.

3







8

Квантовый эффект Холла

3







9

Одноэлектроника

3








5.2. Содержание разделов дисциплины


Раздел 1. Введение

Общие представления о проблемах классической физики при измерениях физических величин, а также при возникновении квантовых явлений. Физические парадоксы, возникающие в классической радиотехнике (парадокс Бриллюэна, УФ катастрофа, парадокс Шеннона и др.). Примеры устройств, работающих на квантовых явлениях (контакт Джозефсона, квазичастичный преобразователь частоты, квантовый парамагнитный усилитель и др.) Стандарты физических величин, использующие квантовые явления (стандарты частоты, напряжения, сопротивления и др.).



Раздел 2. Фундаментальные пределы в точности измерений физических величин

Стандартные квантовые пределы (СКП). Принцип и примеры косвенных измерений. Квантовое невозмущающее измерение и вопросы его реализуемости. Измерение импульса и координаты материального тела, а также энергии гармонического осциллятора


Раздел 3. О параметрах некоторых радиотехнических устройств

Идеальный радиометр. Фундаментальный предел шумовой температуры усилителя. Фундаментальный предел чувствительности при измерениях интенсивности тепловых излучений. Достижимые параметры резистивных преобразователей частоты. Квазичастичные преобразователь частоты и детектор. Квантовый предел эффективности детектирования. Явление «одноэлектроники» и перспективы его использования. Квантовый магнитометр («сквид»). Понятие «кванта» магнитного потока. Чувствительность сквида в гистерезисном и безгистерезисном режимах. Квантовый эффект Холла и стандарт сопротивления. Стабильность частоты автогенератора. Ее ограничения в связи с СКП энергия-время. Стандарты частоты и перспективы их улучшения.


Раздел 4. Предельная пропускная способность канала связи

Количество информации и энтропия. Парадокс Шэннона. Матрица плотности и описание потоков фотонов. Идеальный фотонный канал связи. Разрешение парадокса Шэннона. Узкополосный канал связи, оптимальная частота носителя информации. Когерентный канал.

Минимальная энергия, необходимая для передачи единицы информации. Формула Бриллюэна. Каналы с шумами, оптимальные спектры сигнала.


Раздел 5. Квантово-механическое описание равновесных флуктуаций (ФДТ)

Парадокс Бриллюэна. Классический подход в описании флуктуаций в физических системах. Метод Ланжевена (символические уравнения). Квантово-механическое описание флуктуаций физических величин на основе микроскопических уравнений. Понятие обобщенной восприимчивости. Флуктуационно-диссипационная теорема. Описание тепловых флуктуаций в сложных системах. Теорема Калена–Вэлтона для сложных электрических цепей.



Раздел 6. Стандарты физических величин на основе квантовых явлений

Стандарты частоты на основе квантовых генераторов. Стандарт напряжения на основе эффекта Джозефсона. Понятие кванта магнитного потока. Предельная эффективность детектирования электромагнитных волн. Стандарт сопротивления на базе эффекта Холла, проблема уточнения постоянной тонкой структуры.


Раздел 7. Предел время-частотного разрешения при анализе нестационарных сигналов.

Линейные методы анализа нестационарных сигналов (текущий и мгновенный спектры, «скользящий» Фурье-спектр). Представление нестационарных сигналов на основе аналитического сигнала. Понятия огибающей, мгновенной фазы, мгновенной частоты. Методы анализа на основе аналитического сигнала: функция Рихачека, функция неопределенности Вудворда–Девиса и др. Преобразование Вигнера–Вилля. Примеры применения метода Вигнера–Вилля в физических экспериментах.


Раздел 8. Квантовый эффект Холла

Физические условия возникновения квантового эффекта Холла. Зависимость его от формы и структуры полупроводникового образца. Применение эффекта Холла, связь холловского сопротивления и постоянной тонкой структуры.


Раздел 9. Одноэлектроника.

Эффект кулоновской блокады и туннелирование электронов через разрыв проводника. Возникновение одноэлектронных колебаний и их частота. Сравнение с джозефсоновской и блоховской частотами. Использование одноэлектроники в радиоэлектронных системах.


6. Лабораторный практикум.

Не предусмотрен.


7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

7.1 Рекомендуемая литература

а) основная литература:


  1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. – М.: Физматгиз. 1962.

  2. Брагинский В.Б. Физические эксперименты с пробными телами. – М.: Наука, 1970.
  3. Воронцов Ю.И. Теория и методы макроскопических измерений. – М.: Наука, 1989.


  4. Воронцов Ю.И. // УФН, 1994, Т.164, С.89-104.

  5. Файн В.М. Квантовая радиофизика. – М.: Сов. Радио, 1972.

  6. Митюгов В.В. Физические основы теории информации. – М.: Сов. Радио, 1976.

  7. Левин М.Л., Рытов С.М. Теория равновесных тепловых флуктуаций в электродинамике. М.: Наука, 1967.

  8. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. – М.: ГИФМЛ, 1972.

  9. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джозефсоновскими контактами. – М.: Изд. МГУ, 1978.

  10. Лихарев К.К., Клаесон Е. Одноэлектроника. // В мире науки. 1992, № 8, с.42-48. Флетчер П. // Электроника, 1993, № 17, с.1.

  11. Квантовая метрология и фундаментальные константы. Сб. статей. / Пер. с англ. под ред. Р.Н.Фаустова и В.П.Шелеста. – М.: МИР, 1981.

12. Кисляков А.Г. Главы квантовой радиотехники. Учебное пособие. – Изд. ННГУ, 1997, 90


б) дополнительная литература:

  1. Кисляков А.Г., Разин В.А., Цейтлин Н.М. Введение в радиоастрономию. Учебник для студентов ВУЗов, обучающихся по специальности "Радиофизика и электроника". Часть I. Основы радиоастрономии. Изд. ННГУ и фирмы "Физматлит" (Москва). 1995. 212 с.

  2. Кисляков А.Г. Предельная чувствительность радиометров и вопросы ее реализации. Учебное пособие. Изд. ГГУ. Горький, 1988.

  3. Saleh A.A.M. Theory of resistive mixers. Cambridge, MA. MIT Press, 1971.

  4. Archer J.W. // Proc. of the IEEE, 1985, V.73, PP.109-130.

  5. Solymar L. Superconductive Tunneling and Applications. – N.Y.: Wiley, 1972.

  6. Richards P.L., Quing Hu. // Proc. of IEEE, 1989, V.77, P.1235.

  7. Klitzing K., Dorda G., Pepper M. // Phys. Rev. Lett., 1980, V.45, P.494.


8. Контрольные вопросы
  1. В чем заключаются парадоксы классической физики: парадокс Бриллюэна, ультрафиолетовая катастрофа, парадокс Шеннона?


  2. Приведите примеры радиотехнических устройств, работающих на основе квантово-механических явлений.

  3. Поясните принцип квантового невозмущающего измерения.

  4. Дайте определение «идеального» радиометра.

  5. Как зависит чувствительность радиометра от количества типов колебаний излучения в его ВЧ тракте?

  6. Чему равна минимальная шумовая температура усилителя?

  7. В чем отличие детекторного радиометра от радиометра с усилителем на входе?

  8. Предельная эффективность детектирования э/м колебаний.

  9. Формула для кванта магнитного потока.

  10. Какой эффект используется в стандарте напряжения? В стандарте сопротивления?

  11. Чем ограничивается предельная пропускная способность канала связи при условии, что носителем информации является электромагнитная волна?

  12. Объясните связь энтропии и информационной емкости сигнала.

  13. Как разрешается парадокс Бриллюэна (ФДТ)?

  14. Дайте определение предельного разрешения на плоскости энергия-время при анализе нестационарных сигналов.

  15. Изложите принцип преобразования Вигнера–Виля.

  16. Сформулируйте физические условия реализации квантового эффекта Холла.

  17. Приведите формулу для холловского сопротивления.

  18. Каково метрологическое значение квантового эффекта Холла?

  19. Опишите эффект кулоновской блокады.

  20. Приведите формулу для частоты одноэлектронных колебаний.

  21. Каковы физические условия возникновения одноэлектронных явлений?

  22. Опишите принципиальную схему одноэлектронного транзистора.

  23. Принцип работы одноэлектронного термометра.

  24. Другие применения одноэлектроники в радиотехнических системах.


9. Критерии оценок

Превосходно


Превосходная подготовка с очень незначительными погрешностями

Отлично

Подготовка, уровень которой существенно выше среднего с некоторыми ошибками

Очень хорошо

В целом хорошая подготовка с рядом заметных ошибок

Хорошо

Хорошая подготовка, но со значительными ошибками

Удовлетворительно

Подготовка, удовлетворяющая минимальным требованиям

Неудовлетворительно

Необходима дополнительная подготовка для успешного прохождения испытания

Плохо

Подготовка совершенно недостаточная


10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки

Курсовые работы не предусмотрены.


Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по направлению 011800 «Радиофизика».


Автор программы ___________ Кисляков А.Г.


Программа рассмотрена на заседании кафедры 4 марта 2011 года протокол № 10


Заведующий кафедрой ___________________ Орлов И.Я.


Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года

протокол № 05/10

Председатель методической комиссии_________________ Мануилов В.Н.