單電子學 9787030198822 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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蔣建飛著 著

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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030198822

商品編碼：29672910785

包裝：平裝

齣版時間：2007-09-01

基本信息

書名:單電子學

定價：80.00元

售價：54.4元,便宜25.6元,摺扣68

作者:蔣建飛著

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2007-09-01

ISBN：9787030198822

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版次：1

裝幀：平裝

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商品重量：0.763kg

編輯推薦

內容提要

單電子學是納電子學重要的分支之一，它是有可能部分替代發展至時的納米MOS電子學的重要候選者之一。
本書係統地論述瞭以半經典理論為基礎的單電子器件物理，包括網絡分析理論、正統理論和超正統理論；傳統概念下單電子電路的原理以及非傳統概念單電子電路的研究；單電子係統的模擬方法，包括單電子器件和電路濛特卡羅模擬法，單電子器件和電路主方程模擬法，單電子器件和電路與集成電路通用模擬程序(SPICE)兼容模擬法。本書是一部有明確的學術觀點、理論體係及很強應用背景的學術著作。
本書可以作為納米科學技術和相關學科的科學傢、工程師、教師的參考書，也可供電子科學技術一級學科和交叉學科(計算機學、物理學、化學、生物學、材料學等)從事納米科學技術學習和研究的高年級本科生、碩士研究生、博士研究生參考閱讀。

目錄

前言
基本符號錶
章 緒論
　1.1 引言
　1.2 單電子器件物理
　1.3 單電子電路原理
　1.4 單電子器件和電路模擬器
　參考文獻
第二章 單電子器件的網絡理論和靜電學
　2.1 單電子器件的網絡理論
　　2.1.1 等效電源定理
　　2.1.2 單電子隧道結的網絡模型
　　2.1.3 柵控一維單電子隧道結陣列的網絡模型
　　2.1.4 單電子箱的網絡模型
　　2.1.5 電容耦閤單電子晶體管的網絡模型
　　2.1.6 等效電流源模型
　2.2 單電子係統靜電學
　　2.2.1 靜電勢的多極展開
　　2.2.2 靜電能
　　2.2.3 球形庫侖島
　　2.2.4 超薄圓盤庫侖島
　　2.2.5 環形納米綫庫侖島
　　2.2.6 納米綫庫侖島
　　2.2.7 橢球庫侖島
　　2.2.8 碳納米管庫侖島
　　2.2.9 單電子係統的自由能
　2.3 電容耦閤單電子晶體管極限性能的估計
　參考文獻
第三章 金屬基單電子器件的半經典理論
　3.1 金屬基單電子隧道結的半經典理論
　　3.1.1 費米黃金定律
　　3.1.2 隧穿率
　3.2 單電子隧道結的主方程：半經典動力學推導法
　3.3 單電子隧道結的主方程：密度算符推導法
　　3.3.1 密度算符及其運動方程
　　3.3.2 單電子隧道結主方程的密度算符推導法
　　3.3.3 庫侖阻塞和庫侖振蕩的主方程解釋
　3.4 單電子晶體管的正統理論
　　3.4.1 電容耦閤單電子晶體管
　　3.4.2 電阻耦閤單電子晶體管
　　3.4.3 電阻和電容串聯耦閤單電子晶體管
　3.5 一維單電子隧道結陣列的電荷孤子和反孤子輸運
　　3.5.1 單電子電荷孤子和反孤子
　　3.5.2 一維單電子隧道結陣列作為電阻耦閤單電子晶體管的柵電阻
　參考文獻
第四章 金屬基單電子器件的電磁環境效應
　4.1 經典電荷弛豫
　4.2 LC迴路的量子原理
　4.3 考慮電磁環境效應的單電子隧道結的係統哈密頓
　　4.3.1 電磁環境哈密頓
　　4.3.2 隧道哈密頓
　　4.3.3 準粒子哈密頓
　　4.3.4 係統哈密頓
　4.4 考慮電磁環境效應的單電子隧道結的隧穿率
　　4.4.1 微擾理論
　　4.4.2 探究電磁環境態
　　4.4.3 相位一相位相關函數
　　4.4.4 隧穿率公式
　　4.4.5 相位一相位相關函數和環境阻抗
　　4.4.6 能量交換概率P(E)的一般性質
　　4.4.7 電流一電壓特性的一般性質
　　4.4.8 低阻抗電磁環境
　　4.4.9 高阻抗電磁環境
　4.5 單電子隧道結電磁環境效應的實例
　　4.5.1 以集中電感作為電磁環境：集中L模型
　　4.5.2 以集中電阻作為電磁環境：集中R模型
　　4.5.3 以集中電感和電阻相串聯作為電磁環境：集中LR模型
　　4.5.4 以分布電感、電阻和電容傳輸綫作為電磁環境：分布Lo RoCo傳輸綫模型
　　4.5.5 以分布電感和電容傳輸綫作為電磁環境：分布LoCo傳輸綫模型
　　4.5.6 以分布電阻和電容傳輸綫作為電磁環境：分布RoCo傳輸綫模型
　4.6 考慮電磁環境效應的單電子晶體管的隧穿率
　　4.6.1 隧穿率
　　4.6.2 低阻抗電磁環境
　　4.6.3 高阻抗電磁環境
　4.7 考慮電磁環境效應的多結係統的隧穿率
　參考文獻
第五章 金屬基單電子器件的共隧道效應
　5.1 彈性和非彈性共隧道效應
　5.2 單電子晶體管共隧道的半經典理論
　5.3 一維單電子隧道結陣列的共隧道半經典理論
　　5.3.1 隧穿率
　　5.3.2 O近似
　　5.3.3 =一△F／2 n”的近似
　5.4 無柵電荷偏置的1DSETJA的電流一電壓特性分析
　5.5 柵電荷偏置的1DsETJA的簡化網絡分析模型
　5.6 單電子電荷泵的精度分析
　　5.6.1 優化偏置
　　5.6.2 單個隧道結的單電子隧穿
　　5.6.3 初態的衰減
　　5.6.4 共隧道隧穿率
　　5.6.5 泄漏和轉換誤差
　　5.6.6 共隧道誤差
　　5.6.7 熱誤差
　　5.6.8 頻率誤差
　　5.6.9 誤差的近似估算
　參考文獻
第六章 金屬基單電子器件的噪聲
　6.1 一般經典噪聲機製
　　6.1.1 散粒噪聲
　　6.1.2 熱噪聲
　　6.1.3 閃爍噪聲(1 ／f噪聲)
　6.2 單電子晶體管的熱噪聲和散粒噪聲
　　6.2.1 經典噪聲的一般公式
　　6.2.2 主方程的頻域解
　　6.2.3 譜密度的矩陣形式
　　6.2.4 低頻噪聲
　　6.2.5 直流噪聲
　　6.2.6 超靈敏度單電子靜電計的噪聲
　6.3 一維單電子隧道結陣列中的散粒噪聲
　　6.3.1 電荷傳輸的離散性
　　6.3.2 譜密度的計算
　　6.3.3 接地1 I).SETJA散粒噪聲
　　6.3.4 不接地1 I).SETJA散粒噪聲
　　6.3.5 考慮背景電荷時1 D-SETJA的散粒噪聲
　參考文獻
第七章 介觀超導隧道結理論
　7.1 二次量子隧道效應
　7.2 q的量子Langevin方程
　7.3 布洛赫波振蕩和電流一電壓特性
　7.4 漲落效應
　7.5 密度矩陣分析法
　7.6 單電子現象和磁通量子化之間的對偶性
　　7.6.1 對偶性的法則
　　7.6.2 經典器件和電路的對偶性
　　7.6.3 介觀器件和電路的對偶性
　參考文獻
第八章 半導體基和人造原子單電子器件理論
　8.1 半導體人造原子中的單電子效應
　8.2 綫性響應理論
　　8.2.1 基本關係式
　　8.2.2 綫性響應
　　8.2.3 電導公式的極限形式
　　8.2.4 非彈性散射效應
　　8.2.5 對庫侖陽塞振蕩效應的應用
　8.3 非綫性響應理論
　　8.3.1 模型和基本方程
　　8.3.2 大麵積量子阱
　　8.3.3 小麵積量子阱
　參考文獻
第九章 納機電單電子器件理論
　9.1 實驗型納機電單電子晶體管
　9.2 穿梭輸運的類型
　9.3 粒子的經典穿梭模型
　　9.3.1 本徵模型
　　9.3.2 電荷傳輸的穿梭機製
　　9.3.3 耗散係統的模型
　　9.3.4 隧穿區和穿梭區
　　9.3.5 非理想模型
　　9.3.6 柵控納機電單電子晶體管
　　9.3.7 範德瓦耳斯力的作用
　　9.3.8 三維本徵模型
　9.4 電子波的經典穿梭模型
　9.5 粒子的量子穿梭模型
　參考文獻
第十章 單電子電路原理
　10.1 單電子模擬電路
　　10.1.1 單電子數／模轉換器
　　10.1.2 單電子模／數轉換器
　10.2 單電子邏輯電路
　　10.2.1 電壓態單電子邏輯
　　10.2.2 電荷態單電子邏輯
　　10.2.3 單電子和cMOS混閤邏輯電路
　10.3 單電子存儲器
　　10.3.1 單電子陷阱存儲器原理
　　10.3.2 單電子存儲器的讀齣單元
　　10.3.3 多晶矽Mos管浮點單電子存儲器
　參考文獻
第十一章 單電子器件和電路模擬器
　11.1 模擬器類型和層次結構
　11.2 濛特卡羅模擬法
　　11.2.1 理論原理
　　11.2.2 算法流程圖
　　11.2.3 模擬器應用實例
　11.3 主方程模擬器
　　11.3.1 主方程模擬器的構建原理
　　11.3.2 模擬器的應用實例
　　11.3.3 主方程模擬器簡介
　11.4 SETHSPICE模擬器
　　11.4.1 SET-SPICE模擬器簡介
　　11.4.2 C-SET穩態主方程模型
　　11.4.3 C-SET精簡穩態主方程模型
　　11.4.4 C-SET宏模型
　　11.4.5 GSET模型的SPICE實現
　　11.4.6 模擬器應用實例
　11.5 納機電單電子器件和電路模擬
　　11.5.1 經典牛頓方程的數值模擬
　　11.5.2 主方程模擬法
　　11.5.3 濛特卡羅模擬法
　　11.5.4 NEM-SET單元電路設計例
　參考文獻

作者介紹

文摘

序言

量子世界的微觀奧秘：從單電子器件的起源到前沿應用 在這紛繁復雜的宇宙中，物質最基本的構成單元——電子，以其獨特的量子屬性，深刻地影響著我們對世界的認知。當我們將目光聚焦於單個電子的行為及其由此衍生的物理現象時，一個充滿奇妙與挑戰的領域便徐徐展開，它便是“單電子學”。這門學科不僅僅是理論物理學傢探索量子力學精妙之處的實驗室，更是信息技術、精密測量乃至未來計算 paradigm 變革的孕育之地。 單電子學，顧名思義，研究的是在微納尺度下，單個電子的輸運、操縱和探測。不同於宏觀電路中電子流的平均行為，單電子學關注的是電子作為離散、獨立的量子粒子的特性。在極低的溫度、極小的尺寸和極弱的電場下，電子的量子隧穿效應、庫侖阻塞效應等現象變得尤為顯著，並由此催生齣瞭一係列令人驚嘆的微觀器件。 單電子學誕生的基石：量子力學的革命與微納技術的進步 單電子學的發展並非一蹴而就，它深深植根於20世紀物理學的兩大革命：量子力學的誕生和半導體技術的飛速進步。量子力學徹底顛覆瞭經典物理學對粒子行為的描述，揭示瞭電子的波粒二象性、量子疊加和量子糾纏等非凡特性。這些理論上的突破為理解和預測單電子的行為提供瞭堅實的理論基礎。 與此同時，半導體技術的不斷演進，特彆是晶體管的發明和微電子製造工藝的精進，使得科學傢和工程師們能夠以前所未有的精度製造齣尺寸接近電子德布羅意波長的微納結構。從最初的晶體管，到後來的超晶格、量子阱，再到如今的單電子晶體管（SET）和量子點（QD），這些器件的尺寸不斷縮小，其內部的電子行為越來越受到量子效應的支配。 庫侖阻塞：單電子器件的核心物理機製 在單電子學研究中，一個至關重要的現象是“庫侖阻塞”。想象一下，在一個極小的導電島嶼上，隻有少數幾個電子可以存在。當第一個電子進入這個島嶼時，它會因為自身攜帶的電荷而産生一個靜電勢。如果想要第二個電子也進入這個島嶼，它就需要剋服由第一個電子産生的靜電排斥力，這意味著需要額外的能量。在特定條件下，這個額外的能量會大於電子在電路中獲得的能量，從而阻止第二個電子進入島嶼，這種現象就叫做庫侖阻塞。 正是庫侖阻塞效應，使得科學傢們能夠精確地控製單個電子的注入和移除。通過巧妙地設計由電極和絕緣層包裹的微小金屬或半導體島嶼，並利用柵極電壓來調節島嶼的電勢，就可以實現對單個電子流動的精細調控。一個典型的單電子器件，如單電子晶體管（SET），通常由一個“源極”（Source）、一個“漏極”（Drain）和一個“柵極”（Gate）組成，源極和漏極之間連接著一個非常小的導電島嶼。通過改變柵極電壓，可以精確地控製進入導電島嶼的電子數量，從而實現對源漏電流的極其靈敏的控製，甚至可以觀察到當隻有一個電子通過時産生的電流信號。 單電子器件的類型與結構 單電子學領域的研究催生瞭多種多樣的器件，它們在結構和工作原理上各有韆鞦，但都圍繞著對單個電子的精確操控。 單電子晶體管 (Single Electron Transistor, SET): 這是單電子學中最基礎也是最重要的器件之一。如前所述，SET 利用庫侖阻塞效應，通過柵極電壓精確控製通過納米島嶼的電子數量。其特點是極高的靈敏度，能夠檢測到單個電子的電荷變化，因此在超靈敏測量領域有著巨大的潛力。 量子點 (Quantum Dot, QD): 量子點是一類尺寸在納米級彆的半導體晶體。在量子點中，電子的運動被三維空間嚴格限製，錶現齣類原子能級的量子化特性。通過調整量子點的尺寸、形狀或其周圍的電場，可以調控其發光顔色或電子能級，這使得量子點在顯示技術、光學傳感以及量子信息處理方麵備受矚目。單個量子點本身也可以作為單電子器件的核心，實現對單個電子的存儲和操控。 庫侖對振器 (Coulomb Quantum Oscillator): 這類器件利用單個電子在耦閤的諧振腔中産生的電荷振蕩。它結閤瞭單電子效應和微機械諧振器的特性，可以在極低的功耗下實現高效的電荷輸運和探測。 單電子泵 (Single Electron Pump): 單電子泵是一種能夠實現定嚮、精確輸運單個電子的器件。通過周期性地改變電極的電勢，可以“泵送”電子沿著特定的路徑移動，實現每周期輸齣一個電子的精確控製。這對於構建未來的量子計算架構至關重要，因為它能夠提供精確的量子比特操作所需的脈衝信號。 電荷耦閤器 (Charge Qubits): 在量子計算領域，存儲和操縱量子信息的“量子比特”是核心。利用單個電子的電荷或自鏇作為量子比特是一種非常有前景的方案。電荷耦閤器利用單電子器件的原理，實現對單個電子電荷狀態的精確控製和相互作用，從而構建齣能夠進行量子邏輯運算的量子比特。 單電子學的挑戰與機遇 盡管單電子學展現齣巨大的潛力，但其發展並非一帆風順，也麵臨著諸多挑戰。 溫度限製: 庫侖阻塞效應對溫度非常敏感。為瞭清晰地觀察到單個電子的效應，器件通常需要在極低的溫度下工作，通常在幾開爾文（-270°C）甚至毫開爾文（-273°C）的溫度範圍。這給器件的實際應用帶來瞭巨大的挑戰，需要高效的製冷技術。 製造精度: 要實現對單個電子的精確操控，需要極高的製造精度。器件的尺寸必須達到納米級彆，並且各個部件之間的距離和絕緣性能必須達到極高的標準。任何微小的缺陷或雜質都可能影響器件的性能，甚至使其無法正常工作。 量子退相乾: 在量子信息處理的應用中，如何保護脆弱的量子態免受環境乾擾而發生退相乾是一個普遍難題。單電子器件中的量子信息同樣麵臨這個問題，需要采取各種措施來延長量子態的相乾時間。 集成與可擴展性: 要構建復雜的單電子器件陣列或集成到現有的電子係統中，需要解決信號傳輸、互連和功耗等問題。實現大規模、高效率的單電子器件集成是未來發展的重要方嚮。 然而，這些挑戰也正是驅動單電子學不斷突破的動力。科學傢們在材料科學、納米製造技術、低溫物理和量子控製理論等方麵不斷取得進展，逐步剋服這些睏難。 單電子學的未來展望：從精密測量到量子未來 單電子學的研究正在不斷開闢新的應用領域。 超靈敏電荷探測: SET 的超高靈敏度使其成為測量極微弱電荷變化的理想工具。這在生物傳感器、化學傳感器以及基礎物理實驗中具有廣泛的應用前景，例如探測單個蛋白質分子的電荷變化，或者測量單個量子係統的電荷狀態。 量子計算: 如前所述，單電子器件為構建量子計算機提供瞭重要的基礎。利用單個電子的電荷或自鏇作為量子比特，結閤精確的電子操控技術，有望實現強大的量子計算能力，解決目前經典計算機無法解決的復雜問題。 新型存儲器: 基於單電子效應的存儲器，如電荷存儲器，具有高密度、低功耗的優點，可能成為下一代非易失性存儲技術的重要發展方嚮。 精密時鍾與頻率標準: 精確控製單個電子的周期性運動，有望構建齣更加精確的原子鍾和頻率標準，為科學研究和技術應用提供更高精度的基準。 納米電子學與傳感器: 單電子器件的微小尺寸和低功耗特性，使其非常適閤集成到未來的納米電子係統中，例如構建超低功耗的邏輯電路、高性能的傳感器以及先進的醫療診斷設備。 總而言之，單電子學是一門充滿活力和前景的學科。它以最基本的粒子——電子為對象，深入探索量子世界的精妙法則，並試圖將這些法則轉化為實實在在的技術應用。從揭示物理學的基本原理，到驅動信息技術的革命，再到描繪量子世界的宏偉藍圖，單電子學正引領著我們走嚮一個更加微觀、更加智能、也更加令人興奮的未來。對單個電子行為的深入理解和精確控製，將是解鎖未來科技無限可能性的關鍵鑰匙。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計頗具匠心，封麵采用瞭一種低飽和度的深藍色調，中央印著燙金的標題“量子糾纏的奧秘”，字體選擇得非常古典，帶著一種沉穩的曆史感。我拿到書後，首先被它厚重的質感所吸引，紙張的選取似乎是那種略帶粗糲感的銅版紙，翻閱時能聽到輕微的沙沙聲，讓人感覺手裏捧著的不是一本普通的讀物，而是一件藝術品。內頁的排版也非常考究，文字間距和行距經過瞭精心的設計，即使是麵對大段復雜的公式推導，眼睛也不會感到過分疲勞。作者在引言部分就展現瞭深厚的學術功底，他沒有直接跳入艱深的理論，而是用一係列富有畫麵感的比喻，將讀者緩緩引入一個宏大而精妙的物理世界。特彆是他描述粒子隧穿效應時，那種“穿牆而過，卻不留下任何痕跡”的比喻，立刻抓住瞭我的好奇心。書中的插圖質量極高，一些關鍵的實驗裝置圖，不僅精確，而且色彩還原度很好，輔助理解那些抽象的概念起到瞭至關重要的作用。整體來看，這本書在視覺和觸覺上的體驗，已經超越瞭一本專業書籍應有的水準，更像是一本值得收藏的典藏佳作，從拿到的那一刻起，就預示著一場智力上的盛宴即將開始。

評分☆☆☆☆☆

這本書給我的感覺是，它完成瞭一項極其艱巨的任務：將一個通常被認為是晦澀難懂的領域——“量子場論在凝聚態物理中的應用”——變得既精確又可感。作者似乎有一種魔力，能將那些抽象的希爾伯特空間和路徑積分描述，轉化為可以被想象的物理圖像。我特彆喜歡他處理費曼圖的部分，沒有生硬地直接套用公式，而是通過一個貫穿全書的、關於電子在晶格中運動的“旅程”敘事框架來串聯起來，每種相互作用都被賦予瞭特定的“情節轉摺”。這使得原本枯燥的重整化群迭代過程，讀起來也像是在追尋一個復雜謎團的真相。更難能可貴的是，書中對理論極限的討論非常坦誠，作者毫不迴避當前模型在描述極端條件（比如強關聯係統）時的失效，並引導讀者思考未來可能突破的方嚮，而不是固步自封於已有的框架。讀完最後一頁，我感到知識得到瞭極大的拓展，同時，也更加清晰地認識到物理學前沿的邊界在哪裏，以及探索的樂趣究竟源自何處。

評分☆☆☆☆☆

說實話，我購買這本書主要是衝著作者在“拓撲量子計算”領域的最新突破性論述去的。然而，閱讀體驗卻遠超我的預期，它並不僅僅是一本技術手冊，更像是一部引人入勝的科幻史詩。作者的敘事風格極其生動，他擅長用類比來解構最復雜的概念，比如他將量子比特的疊加態比喻成一個在無限維度中跳舞的精靈，活潑而又難以捉摸。書中關於Majorana費米子的探討，從理論預言到實驗觀測的完整路徑被描繪得波瀾壯闊，讓人不禁為人類智慧的精進而感到震撼。特彆值得一提的是，書中對未來量子計算機實際工程化可能麵臨的“退相乾”問題的討論，作者提齣的幾種創新的糾錯編碼方案，觀點新穎，具有極強的啓發性，簡直像是為我們這些研究人員指明瞭下一階段的研究方嚮。我甚至在閱讀過程中多次暫停，起身走到窗邊，試圖將書中的概念與窗外世界的萬物聯係起來，這本書的力量就在於它能夠激發人超越書本本身的思考，讓人對“計算”的本質産生新的敬畏。

評分☆☆☆☆☆

我對這本新近入手的物理學著作抱有極高的期待，畢竟書名中蘊含的“超導態的非傳統激發模式”聽起來就充滿瞭探索的價值。閱讀初期，我發現作者在梳理現有理論體係時，錶現齣一種近乎偏執的嚴謹性。他沒有輕易采信主流觀點，而是習慣於對每一個基礎假設進行追根溯源的剖析，這使得初讀過程略顯緩慢，但也為後續深入理解打下瞭無比堅實的基礎。比如，在闡述BCS理論的局限性時，作者引用瞭大量鮮為人知的早期實驗數據進行交叉驗證，這種紮實的研究方法令人印象深刻。書中對於溫度梯度和磁場耦閤作用下電子雲行為的數學建模部分，邏輯鏈條銜接得天衣無縫，每一步推導都清晰可循，對於我這種習慣於親自演算的讀者來說，簡直是福音。盡管書中包含瞭相當數量的高級微積分和張量分析，但作者巧妙地將數學工具融入物理情境，避免瞭公式的堆砌感。讀完關於高溫超導臨界點的討論，我仿佛親身參與瞭一場跨越世紀的學術辯論，耳畔仍迴響著那些經典物理學傢的聲音，這本書成功地將曆史的厚重感與前沿的探索欲完美地融閤在一起。

評分☆☆☆☆☆

這本書的章節安排非常閤理，雖然主題是關於“低維電子係統的奇異輸運現象”，但它並未將重點局限於純粹的理論推導，而是花瞭相當大的篇幅來探討實驗技術的發展。特彆是關於掃描隧道顯微鏡（STM）在原子尺度上操縱電子流的介紹，簡直是一堂精彩的實驗技術入門課。作者對不同類型探測器響應時間的精細分析，以及如何在高真空、極低溫環境下維持樣品穩定性的描述，詳盡到令人稱奇。我尤其欣賞作者在討論“電子-聲子耦閤”時所采取的辯證視角：一方麵展示瞭其對電子行為的限製，另一方麵也闡述瞭如何利用聲子散射來調控材料特性。閱讀這本書，我感覺自己像是站在一個裝備精良的實驗室裏，親手調整著實驗參數，看著屏幕上實時變化的電流麯綫。對於那些既想瞭解理論深度，又對如何實現這些觀測有實際興趣的物理工作者而言，這本書無疑是不可多得的寶藏，它成功地架起瞭理論與實踐之間的鴻溝。