介观物理学（mesoscopic physics）是凝聚态物理学的一个分支学科，研究的是尺寸范围从纳米级到微米级之间的材料 。“介观（mesoscopic）”这个词汇，是由Van Kampen于1976年所创，指的是介乎于微观和宏观之间的尺度。介观物理学的研究对宏观物体的小型化（比如微电子器件）有重要要意义。介观尺度和纳米材料的典型尺度（10-9~10-7m）有很大重合，因此介观物理学与纳米技术领域有着密切的联系。这一领域的研究常称为“介观物理和纳米科技”。
从微观尺度上看，介观材料和宏观材料一样含有大量原子，但它和宏观材料具有很不一样的性质：宏观物体遵循经典力学定律，样本的性质由构成材料的平均值给出；而介观物体的电子行为通常需要在量子力学层面进行建模，其样本性质会受到涨落的影响而偏离平均值 。
介观效应
介观尺度并没有严格的定义。一般认为它的下限是纳米级别，对应于原子和分子的大小，也可以定义为单个原子的大小。介观尺度的上限为微米级别，大致相当于典型细菌的大小。当宏观材料缩小到介观尺寸后，其机械、化学和电子性质会发生变化。主要的变化体现在两方面。一是所谓介观涨落，这是介观系统的标志性效应。二是各种量子效应带来的变化，比如表面效应，弹道传导、量子限制效应、干涉效应、和充电效应等 。此外，很多微观量子效应在介观系统中也有重要体现，比如：量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、弱定域、AB环、量子点、约瑟夫森结、NEMS等。
介观涨落
对于宏观物质的研究，一般应用统计力学的方法，考虑大量粒子的平均性质。宏观系统的尺度远大于（微观粒子能够保持其相干性的）相干尺度。在这种情况下，每个系统样本中各个粒子的运动缺乏关联，呈现统计上的无规性，系统的整体性质很好的被大量粒子的平均运动所描述：即同一系统的不同样本性质间的差异很小，所有样本的性质都由系统的平均值刻画，统计涨落很小。
处于介观尺度的材料，尽管也含有大量粒子，但其系统尺度小于相干尺度，同一样本中的粒子保持相干运动，各个样本性质差异极大，系统的平均值不再有效的刻画系统中所有样本的性质，或者说存在很大的统计涨落。这种涨落称之为介观涨落，是介观材料的一个重要特征。
表面效应
介观物理学的研究与宏观器件小型化时出现的实际问题相关，例如半导体电子器件中晶体管的小型化。其中一个考虑就是表面效应。
对于（大于一微米的）体材料，表面原子相对材料中所有原子所占的百分比是微不足道的，不需要考虑表面效应。当材料的尺寸接近纳米尺度时，材料表面原子占所有原子的百分比变得显著，表面效应增大，其机械、化学和电子性质会发生变化。这对于采用微电子电路制造技术制造的金属或半导体材料是有影响的。
弹道传导
材料中电子传输的性质主上取决于载流子需要跨越的距离（L）与载流子的平均自由程（ L_m ）的比较。对于宏观材料， L \approx L_m，载流子会经历多次散射，这被称为扩散输运，用半经典玻尔兹曼输运方程来描述。
当L时，散射可以忽略不计，这时候的输运过程称为弹道输运。与扩散输运截然不同，弹道输运中的电子穿过材料时不会发生碰撞，从而保持其能量和相位一致。这时就要用量子力学来描述这种输运过程；导线的电导率是量子化的： 2e^2/h （e是基本电荷， h是普朗克常数），能谱量子化，变得离散，而不是像体材料那样是连续的。能谱中的带隙就显现出来了：能级之间存在一个很小且有限的间隔。这种离散能级的现象就称为量子限制。此时材料的电子和光学性质与体材料的性质相比会发生显著变化是。材料特性不再是整体平均的连续值，而是处于量子层面的离散值。
在半导体设计和制备中，两种不同半导体材料之间的界面处可能会形成孤立电子岛。在这些孤立电子岛上，电子通常被限制在称为量子点的盘状区域内。这些系统中，对电子的束缚也会产生量子限制效应，显著改变它们与电磁辐射的相互作用。
量子点的电子能级是离散的而不是连续的，因此在量子点中添加或减少几个原子就会改变带隙的边界。改变量子点表面的几何形状也会改变带隙能量，这同样是由于量子点尺寸较小以及量子限制效应所致。
干涉效应
在介观尺度上，缺陷（如杂质）的散射会引起干涉效应，从而影响电子的运动。介观干涉效应的实验特征是物理量出现可重复的波动。例如，给定样本的电导率会随着实验参数的波动而以看似随机的方式振荡。然而，如果将实验参数恢复到其原始值，则可以重现相同的模式；事实上，观察到的模式在几天内是可重复的。这些被称为“普遍电导波动”。
常用方法和理论
介观动力学的时间分辨实验是纳米尺度上的重要实验手段，它可以用于 ：
- 在纳米尺度上观察和研究凝聚相动力学，例如固体中的裂纹形成、相分离以及液态或生物相关环境中的快速波动。
- 在纳米尺度上观察和研究非晶态材料的超快动力学。
在介观物理中，特别是对量子混沌的研究中，重要的理论方法包括：
- 随机矩阵：矩阵值的随机变量
- 半经典物理：同时使用经典物理学和量子物理学来分析系统
介观物理和量子混沌
除了试验和技术上的重要应用外，介观尺度在理论上是探索量子混沌现象的重要场所。混沌现象是宏观经典力学中的普遍现象，但在量子世界中，目前还不能观测到低激发态量子系统的混沌现象。介观物理研究的物质处于量子体系的高激发态，其微观性质和对应的宏观力学性质有很大关联。对应的宏观力学系统行为不同的话（可积系统或是混沌系统），材料的微观性质也会不同。这使得介观物理成为研究量子混沌以及量子力学和经典力学过渡关系的重要领域。
参见
- 半經典物理學
- 介观体系
- 纳米科技
参考
外部链接
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