凝聚态物理专题

凝聚态物理专题高Tc氧化物超导体半导体低维结构巨磁电阻与磁电子学介观和纳米固体绪论绪论有机半导体光电池凝聚态凝聚态物理凝聚态物理凝聚态物理的发展凝聚态物理的发展史凝聚态物理专题当代凝聚态物理的发展趋势上页下页目录一、凝聚态物理1.凝聚态(CondensedMatterState)凝聚态亦称凝聚体，是处于凝聚状态的物体。在目前已知的七种物质状态——气态、液态、固态、等离态、超密态、反物质态和真空状态中，液态和固态合称凝聚态。随着凝聚态物理的发展，目前将介于固、液两态之间的居间态（例如液晶、玻璃、凝胶），稠密气体如等离子体，以及只在低温下存在的特殊量子态（超流体）等，也称为凝聚态物质。上页下页目录例如，凝聚态物质具有一个共同的宏观特征，即压缩系数很小。而对于一般的气体，都表现为具有较大的可压缩性。由于粒子的间距与粒子自身线度接近，因此，在凝聚态物质中，原子、分子等粒子之间存在着较强的相互作用。这种存在于粒子之间的强相互作用，可使凝聚态物质的性质相对于粒子之间稀疏的气态物质，具有一系列根本的特点。在凝聚态物质中，原子、分子等粒子之间的距离与粒子本身线度具有大致相同的数量级。上页下页目录2.凝聚态物理(CondensedMatterPhysics)凝聚态物理学是研究各种凝聚态物质的结构、物性、相变、构成凝聚体的各种粒子的运动和波，以及它们之间的相互关系的一门学科。凝聚态物理学的核心内容是研究凝聚态物质的微观结构、各种相互作用、电子组态以及力学、电学、磁学、热学、光学、输运等宏观性质。核子物理学、天体物理学和凝聚态物理学是现代物理学研究的三大前沿，它们的研究对象分别对应着最小、最大和最复杂的物质体系。其中，以研究复杂多体系统为主的凝聚态物理学，是内容最丰富、应用最广泛、涉及的研究人员最多，且最能激发人们创造能力的物理学分支学科。上页下页目录凝聚态物理源于晶态固体的研究。在二十世纪二十年代，随着量子理论的发展，使固体晶态的一系列基本性质得到较好的解释，形成了固体物理学的基础。经过半个世纪的发展，晶态物理所研究的内容有了极大的扩展，从而衍生出凝聚态物理。目前，除晶态物理外，凝聚态物理还包括：表面物理、非晶态物理、高分子物理、凝聚态共性体系、界面物理、低维物理、半导体物理、介质晶体物理、超导和低温物理等重要分支。凝聚态物理是一门具有广泛交叉性和极强应用性的学科，它所取得的成果对化学、材料科学、信息科学等相关学科产生了深远的影响。上页下页目录二、凝聚态物理的发展1.凝聚态物理的发展简史下面，以编年史的形式，介绍在凝聚态物理学发展中的一些大事件，从而跟踪凝聚态物理的发展进程。1900年，特鲁特发表金属电子论。1905年，郎之万发表顺磁性的经典理论。1906年，爱因斯坦发表固体比热的量子理论。1907年，外斯发表铁磁性的分子场理论，提出磁畴假设。1919年，巴克豪森发现了磁畴。上页下页目录1912年，劳厄提出晶体X射线衍射方案，第一次对晶体的空间点阵假说作出了实验验证，从而使晶体物理学发生了质的飞跃。1911年，昂内斯发现超导电性。1913年，诺贝尔物理学奖授予昂内斯，以表彰他对低温物质特性的研究。1914年，诺贝尔物理学奖授予劳厄，以表彰他发现了晶体的X射线衍射。从此以后，X射线学在理论和实验方法上飞速发展，形成了一门内容极其丰富、应用极其广泛的综合学科。上页下页目录1913年，布拉格父子给出利用X射线晶体分光仪测定晶格常数的布拉格公式。1915年，诺贝尔物理学奖授予亨利.布拉格和劳伦斯.布拉格，以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。由于在X射线衍射和分子偶极矩理论方面的杰出贡献，德拜获得1936年诺贝尔化学奖。1916年，德拜提出X射线粉末衍射法，用以鉴定样品的成分，并可以确定晶胞的大小。上页下页目录1928—1930年，布洛赫、佩尔斯、威尔逊、布里源等人为固体的能带理论奠定了基础。其中，固体的能带理论导致了半导体物理的诞生，并进而推动了现代信息科学与技术的产生和发展。固体能带理论和对称破缺的相变理论是凝聚态物理学的两个基本理论。目前，利用能带理论已经可以对晶体特性参量根据第一性原理进行从头计算，计算结果的准确性非常令人满意。而这样的理论计算，又可以作为进一步发展材料的依据。1952年，布洛赫因在核磁共振方面的贡献而获得诺贝尔物理学奖。上页下页目录1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德发现超导体具有完全抗磁性。1932年，威尔逊提出了杂质（及缺陷）能级的概念，这是认识掺杂半导体导电机理的重大突破。1932年，诺尔和鲁斯卡发明透射电子显微镜。1931年，威尔逊提出了固体导电的量子力学模型，并预言介于金属和绝缘体之间存在半导体，为半导体的发展提供了理论基础。1986年，诺贝尔物理学奖的一半授予鲁斯卡，以表彰他在电光学领域作了基础性工作，并设计了第一架电子显微镜。上页下页目录1935年，F.伦敦和H.伦敦发表超导现象的宏观电动力学理论——伦敦方程。1938年，卡皮查实验证实氦的超流动性。1938年，F.伦敦提出了超流动性的统计理论。1940年，朗道提出氦II超流性的量子理论。1962年诺贝尔物理学奖授予朗道，以表彰他作出了凝聚态、特别是液氦的先驱性理论。1948年，奈耳建立和发展了亚铁磁性的分子场理论。1970年，奈耳与磁流体动力学的创始人阿尔文分享诺贝尔物理学奖。上页下页目录1947年12月23日，巴丁、肖克莱、布拉坦研制成功第一个晶体管。晶体管的诞生是凝聚态物理的一个里程碑，它改变了历史进程，具有划时代意义。自此，人类社会进入了“硅器时代”。1956年，肖克莱、巴丁、布拉坦荣获诺贝尔物理学奖。1957年，巴丁、施里弗和库珀发表了超导微观理论。1972年，巴丁、库珀和施里弗因BCS理论获得诺贝尔物理学奖。1960年，贾埃沃在实验中发现了电子隧道效应。1973年物理学奖的一半授予江崎玲於奈和贾埃沃，另一半授予约瑟夫森，以表彰他们在半导体和超导体中有关电子隧道现象的研究。1962年，约瑟夫森预言了约瑟夫森效应。1963年，安德森和罗维尔在实验中验证了约瑟夫森效应的存在。上页下页目录1977年的诺贝尔物理学奖授予了安德森、莫特和范弗莱克，以表彰他们对固体磁性和无序系统的电子结构所作的基础理论研究。1980年，克里钦发现了量子霍耳效应。1985年，诺贝尔物理学奖授予克里钦，以表彰他在金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）发现的量子霍尔效应。1971年，威尔逊发表处理相变临界现象的重正化群理论。1982年，诺贝尔物理学奖授予威尔逊，以表彰他对与相变有关的临界现象所作的理论贡献。上页下页目录1972年，戴维.李、奥谢罗夫和里查森发表费米超流体氦-3的实验发现。1996年，诺贝尔物理学奖授予戴维.李、奥谢罗夫和里查森，以表彰他们发现了氦-3中的超流动性。上页下页目录1985年，柯尔、斯莫利和克罗特发现了具有足球状的碳分子——富勒烯。1996年，诺贝尔化学奖授予富勒烯的三位发现者——柯尔、斯莫利和克罗托。除富勒烯分子外，人们还发现全部由碳原子构成的一些其它的稳定结构。富勒烯的发现，广泛地影响到物理学、化学、材料学、电子学、生物学、医药科学各个领域，显示出有巨大的潜在应用前景。例如，1991年发现由240个碳原子构成巴基管。上页下页目录1986年，柏诺兹和缪勒发现高Tc氧化物超导材料。1987年，诺贝尔物理学奖授予瑞士IBM研究实验室的德国物理学家柏诺兹与瑞士物理学家缪勒，以表彰他们在发现陶瓷材料中的超导电性所作的重大突破。高临界温度超导电性的探索是凝聚态物理学的一个重要课题。超导电性的研究是凝聚态物理的一个重要内容，由于超导技术有广泛应用的潜在价值，因此，世界各国花了很大力气开展这方面的工作。从昂内斯的时代起，探索提高超导转变临界温度Tc的途径就一直是世界关注的热点。上页下页目录1988年，发现巨磁电阻效应（GMR），从而开创了磁电子学。1991年，诺贝尔物理学奖授予法国的德纳然，以表彰他把研究简单系统中有序现象的方法推广到更复杂的物理态，特别是液晶和聚合物所做的贡献。目前，世界各国竞相研究，形成了一股GMR热。这股热潮在GMR的理论机制、产品研制和应用研究三方面几乎同步进行，在世界科技发展史上很少有这样的先例。上页下页目录1996年，诺贝尔物理学奖授予朱棣文、科恩-塔诺季、菲利普斯，以表彰他们在发展用激光冷却和陷俘原子的方法方面所作的贡献。上页下页目录1998年，诺贝尔物理学奖授予劳克林、施特默和崔琦，以表彰他们发现了一种具有分数电荷激发状态的新型量电子流，这种状态起因于所谓的分数量子霍耳效应。分数量子霍耳效应继整数量子霍耳效应之后，荣获诺贝尔物理学奖，这说明：量子霍耳效应是继高温超导之后，凝聚态物理学研究的又一个新课题。上页下页目录1998年，诺贝尔化学奖授予科恩和玻普，以表彰他们的密度泛函理论对量子化学理论研究所作的贡献。密度泛函理论是二十世纪六十年代后形成的一个关系固体能带计算的方法，该方法在凝聚态物理研究中具有重要的作用。上页下页目录2000年，诺贝尔物理学奖授予若尔斯阿尔费罗夫、基尔比和赫伯特克勒默，以表彰他们在移动电话及半导体研究中获得突破性进展。他们的工作奠定了现代信息技术的基础，特别是他们发明的快速晶体管、激光二极管和集成电路芯片，对现代信息科学与技术的发展起到非常重要的促进作用。上页下页目录2000年，诺贝尔化学奖授予艾伦-J-黑格、艾伦-G-马克迪尔米德和白川英树，以表彰他们在导电聚合物研究领域所作的贡献。2001年诺贝尔物理学奖的获得者是康奈尔、克特勒和维曼，其成果为稀薄碱性原子气体的玻色爱因斯坦冷凝态的研究和对冷凝物的早期基础研究工作。上页下页目录2003年，诺贝尔物理学奖授予阿列克谢·阿布里科索夫、维塔利·金茨堡和安东尼·莱格特，以表彰他们在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献。金茨堡阿布里科索夫莱格特上页下页目录2.当代凝聚态物理发展趋势（1）由研究体内性质，转变为研究同表面、界面有关的性质；从二十世纪九十年代开始，凝聚态物理发展的趋势表现为：（2）由三维体系问题，转变为研究二维、一维的低维体系问题；（3）由研究晶态，转变为研究无定形和玻璃态；上页下页目录（5）由研究性质单一的体系，转变到研究共性体系；（6）由研究完整结构的理想晶态，转变为着重研究晶体中的杂质和缺陷态；（7）由研究普通的晶格，转变为研究半导体和金属的人工量子阱晶体——超晶格。（4）由平衡态，转变为研究瞬态、亚稳态，临界现象和相变；上页下页目录3.当前凝聚态物理的前沿超导电性物理、晶体学、磁学、表面物理、固态发光物理、液态物理、生命现象中的物理问题、极端条件下的物理等研究内容，成为当前凝聚态物理学广阔的前沿领域。其中，低维凝聚态物理与以发现新的有序相、有序相的对称破缺、以及这些新相的物理性能为主要目标的研究工作，更是这一学科中最具活力的重要发展前沿。凝聚态物理前沿研究此起彼伏，发展迅速，使人目不暇接。其大趋势是：强化现有分支领域研究，并不断地开拓新的领域，制备出更多更高性能的新材料，发现令人意想不到的新现象。上页下页目录三、凝聚态物理专题量子霍尔效应、高Tc超导材料和氧化物超巨磁电阻效应，是二十世纪八十年代以来在凝聚态物理领域的三个重大发现。本课程主要介绍量子霍尔效应、高Tc氧化物超导体和的物理性质及其应用、巨磁电阻和超巨磁电阻效应，以及与之相关的材料。课程由高Tc超导理论、半导体低维结构、巨磁电阻及磁电子学、介观和纳米固体等专题组成。上页下页目录第1章高Tc氧化物超导体首先对提高超导转变温度的历史进程作一个简单的回顾。其次介绍高Tc超导体的结构与相图，以及超导态的共同特性。再次利用各向异性配对的超导理论，解释高Tc超导体的异常超导特性。最后介绍高Tc超导体正常态的反常特性，以及在弱掺杂区发现正常态能隙所提出的物理问题。本章主要介绍铜氧化合物超导体的基本性质。上页下页目录常规超导体的研究超导材料的研究现状高Tc超导电性研究的突破结构与相图超导态的基本属性铜氧化合物超导体的研究氧化物超导体的结构氧化物超