SciBook / 물리학

양자역학Quantum Mechanics · 대학 3–4학년 · 반도체 기초

게이트 절연막을 1 nm 얇게 하면 누설 전류가 왜 열 배씩 늘어나는지, 나노시트 채널의 띠 간격이 왜 두께로 정해지는지, 실리콘 속 인 원자 하나가 왜 45 meV짜리 수소 원자처럼 행동하는지, MRAM의 자유층이 어떻게 스핀으로 정보를 저장하는지, 양자 홀 효과가 어떻게 저항 표준이 되는지, 실리콘 스핀 큐비트의 결맞음이 왜 수 밀리초에서 끝나는지 — 모두 같은 양자역학의 규칙으로 계산된다. 이 책은 그 규칙을 손으로 만지며 익힌다. 파속을 장벽으로 흘려 보내 위상이 어떻게 갈라지는지 보고, 블로흐 구 위의 스핀을 끌어 측정 확률을 읽고, 행렬을 대각화해 준위를 구하고, 섭동을 켜고 끄며 준위가 갈라지는 것을 본 다음 식으로 정리한다. 범위는 그리피스·사쿠라이 수준의 학부 양자역학 전체이고, 장마다 반도체 현장과 이어진다.

장벽을 끌어 옮기거나 높이를 바꿔 보세요 · 빈 곳을 누르면 파속을 다시 쏩니다

목차

5부 18장과 부록 2개. 1–4장은 양자역학의 틀(상태·측정·시간 전개), 5–7장은 정확히 풀리는 계와 대칭, 8–11장은 각운동량·수소 원자·스핀·동일 입자, 12–15장은 근사법과 빛–물질 상호작용·산란, 16–18장은 전자기장 속 양자역학·결어긋남·큐비트다.

제1부 양자역학의 틀

CHAPTER 01

파동함수와 확률

보른 규칙과 정규화, 확률 밀도와 확률 흐름(연속 방정식), 위치·운동량 연산자와 기댓값, 운동량 공간 파동함수와 푸리에 변환, 가우스 파속의 퍼짐과 군속도, 에렌페스트 정리와 고전 극한 — 전자 빔의 결맞음과 전자 현미경.

시뮬레이터 7 · 인터랙티브 19 · 예제 8 · 문제 16
보른 규칙확률 흐름
CHAPTER 02

상태 공간과 디랙 표기

상태 벡터와 힐베르트 공간, 브라–켓과 내적, 직교 정규 기저와 완비성, 선형 연산자의 행렬 표현, 에르미트·유니터리 연산자, 고유값 문제와 스펙트럼 정리, 사영 연산자, 기저 변환, 위치·운동량 표현과 연속 기저, 텐서곱 — 유한 차분 해밀토니언 행렬과 TCAD 양자 해석.

시뮬레이터 6 · 인터랙티브 20 · 예제 8 · 문제 16
브라–켓에르미트 연산자
CHAPTER 03

측정과 불확정성

측정 공준과 상태 붕괴, 확률 진폭과 간섭, 교환자와 동시 측정 가능성, 일반화된 불확정성 관계(로버트슨), 최소 불확정 상태, 에너지–시간 관계와 선폭, 연속 슈테른–게를라흐 실험, 2준위 계와 광자 편광 — 계측의 양자 한계와 단일 광자 검출.

시뮬레이터 9 · 인터랙티브 15 · 예제 8 · 문제 16
교환자불확정성 관계
CHAPTER 04

시간 전개

시간 전개 연산자와 해밀토니언, 정상 상태 중첩과 양자 맥놀이, 슈뢰딩거·하이젠베르크 묘사, 보존량과 교환자, 두 준위 결합과 터널 진동(이중 양자점·암모니아), 전파 인자, 수치 시간 전개(크랭크–니콜슨·분할 연산자) — 이중 양자점 전하 큐비트와 펨토초 분광.

시뮬레이터 6 · 인터랙티브 21 · 예제 8 · 문제 16
유니터리 전개하이젠베르크 묘사

제2부 정확히 풀리는 계와 대칭

제3부 각운동량과 3차원 문제

CHAPTER 08

각운동량

궤도 각운동량 연산자와 교환 관계, 사다리 연산자로 구하는 고유값, 구면 조화 함수, 각운동량의 벡터 모형과 측정, 회전 연산자와 위그너 d 행렬, 강체 회전자와 분자 회전 스펙트럼 — 플라스마 속 분자 분광과 공정 가스 진단.

시뮬레이터 8 · 인터랙티브 17 · 예제 7 · 문제 16
구면 조화 함수회전 연산자
CHAPTER 09

중심력과 수소 원자

지름 방정식과 유효 퍼텐셜, 3차원 구형 우물과 구형 양자점, 3차원 조화 진동자, 수소 원자의 엄밀해와 우연 축퇴, 수소꼴 이온과 리드베리 상태, 유효 질량 수소 모형(주개·받개·엑시톤) — 실리콘의 얕은 도펀트 준위와 양자점 발광.

시뮬레이터 6 · 인터랙티브 21 · 예제 8 · 문제 16
지름 방정식엑시톤
CHAPTER 10 준비 중

스핀과 각운동량 합성

스핀 1/2와 파울리 행렬, 블로흐 구, 자기장 속 라모어 세차와 자기 공명, 라비 진동, 각운동량 합성(삼중항·단일항), 클레브시–고르단 계수, 스핀–궤도 결합과 j 상태, 스핀 1과 일반 스핀 — MRAM과 스핀 큐비트, ESR 결함 분석.

파울리 행렬클레브시–고르단
CHAPTER 11 준비 중

동일 입자

교환 대칭과 보손·페르미온, 파울리 배타 원리와 슬레이터 행렬식, 교환 상호작용과 헬륨 원자(파라·오르토), 교환 힘과 공유 결합, 다전자 원자와 훈트 규칙, 제2양자화 입문(생성·소멸 연산자) — 자성 교환 결합과 자기 터널 접합.

교환 대칭슬레이터 행렬식

제4부 근사법

CHAPTER 12 준비 중

시간 무관 섭동 이론

비축퇴 섭동 1·2차, 축퇴 섭동과 대칭 깨짐, 슈타르크 효과와 양자 구속 슈타르크 효과, 수소의 미세 구조, 제만 효과(약한 장·강한 장), k·p 섭동과 유효 질량 — 전계 흡수 변조기와 변형 실리콘의 유효 질량.

섭동 이론슈타르크 효과
CHAPTER 13 준비 중

변분법과 WKB 근사

변분 원리와 시험 함수, 헬륨 바닥 상태, H₂⁺ 분자 이온과 결합, 레일리–리츠 행렬법, WKB 파동함수와 연결 공식, 보어–조머펠트 양자화, 터널링 수명과 알파 붕괴, 삼각 장벽과 파울러–노드하임 터널링 — 반전층 양자화와 플래시 터널 절연막.

변분법WKB
CHAPTER 14 준비 중

시간 의존 섭동과 빛–물질 상호작용

상호작용 묘사, 2준위 계와 라비 공식, 1차 시간 의존 섭동, 페르미 황금률, 쌍극자 근사와 선택 규칙, 흡수·유도 방출·자발 방출과 아인슈타인 계수, 선폭과 수명, 반도체 띠간 흡수와 결합 상태 밀도 — 포토다이오드 흡수와 LED 발광 속도.

페르미 황금률선택 규칙
CHAPTER 15 준비 중

산란 이론

산란 단면적과 산란 진폭, 리프먼–슈윙거 식과 보른 근사, 러더퍼드·차폐 쿨롱 산란, 부분파 전개와 위상 이동, 광학 정리, 저에너지 산란과 산란 길이, 공명 산란 — 이온화 불순물 산란과 이동도, 이온 주입의 핵 산란.

보른 근사위상 이동

제5부 현대 양자역학과 양자 소자

CHAPTER 16 준비 중

전자기장 속의 양자역학

최소 결합과 게이지 불변성, 란다우 준위와 자기 길이, 아하로노프–봄 효과, 정수 양자 홀 효과와 폰 클리칭 상수, 슈브니코프–드하스 진동, 자속 양자화와 초전도 고리, 포크–다윈 준위 — 2차원 전자 기체의 이동도·농도 측정과 저항 표준.

란다우 준위양자 홀 효과
CHAPTER 17 준비 중

밀도 행렬과 결어긋남

순수 상태와 혼합 상태, 밀도 행렬과 블로흐 벡터, 부분 대각합과 축약 상태, 열평형 상태와 엔트로피, 결어긋남과 환경, T₁·T₂와 블로흐 방정식, 스핀 에코, 린드블라드 주 방정식 — 큐비트 결맞음 시간과 NMR·ESR 측정.

밀도 행렬결어긋남
CHAPTER 18 준비 중

양자 정보와 큐비트

큐비트와 양자 게이트, 다큐비트 상태와 얽힘, 벨 부등식(CHSH), 복제 불가 정리와 양자 순간이동, 양자 키 분배(BB84), 도이치–조사·그로버 알고리즘, 오류와 오류 정정 맛보기, 큐비트 구현(초전도·실리콘 스핀·이온·광자) — 실리콘 스핀 큐비트와 극저온 CMOS.

얽힘양자 게이트

부록

APPENDIX A 준비 중

수학 도구와 물리 상수

복소수·선형대수·푸리에 변환·특수 함수(에르미트·라게르·르장드르·구면 조화·구 베셀)·클레브시–고르단 표와 물리 상수·단위 환산을 계산기와 함께 한곳에 모았다.

부록공식
APPENDIX B 준비 중

용어집과 종합 문제

핵심 용어를 검색하고 장별 종합 문제로 실력을 점검한다.

부록정리

이 교과서로 공부하는 법

예측하고 → 파동함수를 직접 움직여 보고 → 식으로 확인하고 → 소자와 잇는다.

PREDICT먼저 예측시뮬레이터는 결과를 예측해야 열린다. 장벽을 두 배 두껍게 하면 투과가 얼마나 줄지, 스핀을 x축으로 측정한 뒤 z축으로 다시 재면 무엇이 나올지, 섭동을 켜면 축퇴가 몇 개로 갈라질지 먼저 짐작한다.
SIMULATE파동함수에서 출발위상을 색으로 칠한 파속이 퍼지고 갈라지고 간섭하는 모습을 보고, 행렬을 대각화하고, 블로흐 구 위에서 스핀이 세차하고 결어긋나는 모습을 본다. 식은 그 움직임을 요약한 것이다.
DRAG끌어서 맞춘다장벽과 우물을 끌어 모양을 바꾸고, 블로흐 구 위의 상태를 끌어 측정 확률을 맞추고, 위상 공간의 결맞음 상태를 밀어 진동시키고, 큐비트 회로에 게이트를 놓는다.
SEMI반도체에서는장마다 게이트 누설과 플래시 터널링, 나노시트 채널의 양자 구속, 도펀트 준위, 골짜기 축퇴와 변형 실리콘, 포토다이오드와 LED, 이온화 불순물 산란, 홀 측정, MRAM, 스핀 큐비트처럼 그 개념이 쓰이는 현장을 보이고 SemiBooks의 해당 장으로 잇는다.
PROBLEM자동 채점예제는 전략–풀이–검토로, 연습문제는 숫자를 넣으면 바로 채점한다. 드릴은 숫자를 바꿔 무한히 다시 낸다.

학습 경로

두 학기 강의 (양자역학 I·II)

  1. I-1~2주 1·2장 파동함수, 상태 공간과 디랙 표기
  2. I-3~4주 3·4장 측정과 불확정성, 시간 전개
  3. I-5~6주 5장 1차원 퍼텐셜
  4. I-7주 6장 조화 진동자와 사다리 연산자
  5. I-8주 중간고사
  6. I-9~10주 7·8장 대칭, 각운동량
  7. I-11~12주 9장 중심력과 수소 원자
  8. I-13~14주 10·11장 스핀, 동일 입자
  9. II-1~5주 12·13장 섭동 이론, 변분법과 WKB
  10. II-6~9주 14·15장 빛–물질 상호작용, 산란
  11. II-10~14주 16·17·18장 전자기장, 결어긋남, 큐비트

실무자 압축 과정 (6회)

  1. 1회 1·2·3장 — 파동함수·행렬·측정의 규칙
  2. 2회 4·5장 — 시간 전개, 장벽·우물·공명 터널링
  3. 3회 7·9장 — 블로흐 정리와 골짜기, 도펀트·엑시톤의 수소 모형
  4. 4회 12·13장 — 양자 구속 슈타르크·유효 질량, 반전층과 FN 터널링
  5. 5회 14·15장 — 광흡수·발광 속도, 불순물 산란과 이동도
  6. 6회 10·16·17·18장 — 스핀과 MRAM, 홀 측정, 결맞음과 큐비트

미리 알면 좋은 것: 현대물리학의 슈뢰딩거 방정식·우물·터널링·수소 원자, 선형대수(행렬과 고유값), 복소수. 함께 읽을 책: 고체물리의 띠 구조와 캐리어, 전자기학의 퍼텐셜과 게이지, 열·통계물리와 물리화학의 양자 통계. 다음 책: DeviceBook과 TCADBook이 이 책의 도구를 바로 쓴다.