凝聚态物理学的基本概念和现代发展-金国钧

1金国钧金国钧凝聚态物理学的基本概念和现代发展2007.11.17湘潭大学讲座2•众多的研究工作者•丰富的研究成果•对技术发展的广泛影响•向交叉领域的迅速渗透凝聚态物理学当代物理学中最重要的一个分支具有以下几个特点3FengDuanandJinGuojun,Since1990establishedagraduatecourseIntroductiontoCondensedMatterPhysicsbasicconceptsincondensedmatterphysics4凝聚态物理学一、凝聚物质的结构二、各种结构中波的行为三、键、能带及其它四、相变和有序相五、临界现象六、元激发七、缺陷和织构八、非平衡现象5提纲1.凝聚态物理学在物理学中的位置2.从固体物理学到凝聚态物理学3.凝聚态物理学中的重要概念4.凝聚态物理学和现代科学技术6LordKelvin(1824-1907)M.Thompson1900年新年献词《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》1.凝聚态物理学在物理学中的位置1.1二十世纪物理学的伟大成就物理学是一门自然科学，是人类文化的组成部分，还是技术的基础相对论宏观世界Einstein个人，1905，1915量子论微观世界一批物理学家，since190071.2物质世界的层次化1.微观方面原子物理核物理亚核物理追寻基本粒子,高能加速器,一大堆基本粒子强子：质子、中子、介子、大量共振态粒子轻子：电子、子、中微子→→πμ2.宇观方面，对宇宙的探测弯曲时空,大爆炸,宇宙加速膨胀近代天文学的实验观测Hubble红移3K微波辐射，2006Nobel奖暗能量占宇宙物质的73%8两极之间存在众多的中间层次极小与极大两前沿之间有紧密联系粒子物理提供早期宇宙的考古信息星球与宇宙是高能物理的巨大实验室图1.物质结构的不同层次9长度能量时间粒子数100cm-10-8cm1000K-10-9K108s–10-15s1027-1021.3凝聚态物理学的范围图2.物理学不同分支学科与所研究结构的尺度10还原论者大块物质分子原子原子核和电子核子等→→→→各种相互作用四种基本相互作用电弱统一强电弱统一大统一→→→→→复杂性简单性2.1科学发展的历史轨迹2.从固体物理学到凝聚态物理学11FromComplexitytoSimplicity:ReductionistApproachGases,LiquidsandSolidsMoleculesorAtomsNucleiandElectronsProtonsandNeutronsQuarksandGluonsDecompose12类型客体强度范围强质子和中子(介子和胶子)1-1010-15-10-14cm弱基本粒子衰变和俘获(W+,W-,和Z0)10-10-10-1210-14cm电磁带电粒子(光子)10-2无限引力所有物体(引力子)10-39无限四种基本相互作用13超导电性、自旋玻璃、时空相干结构以及更广泛的学科范围地质学、生物学、人工智能、经济学等简单性复杂性一场无限平稳的革命→→破缺对称性层展现象(emergentphenomena)J.Hollan,Emergence,199514图3.二类超导体中的磁通点阵图4.自旋玻璃图5.Benard胞15IscomplexityPhysics?IsitScience?Whatisit?ComplexityisoftenPhysics:LeadingedgeofScience---P.W.Anderson(1991)Moreisdifferent!---P.W.Anderson(1972)16世界是复杂的，也是简单的，但是归根结底是复杂的，复杂性导致多样性，希望寄托在复杂性上172.2固体物理学的建立1.晶体学研究探明晶体内部原子排列Kepler(1611)雪花、微粒堆垛晶体的对称性理论19世纪后期，14，32，230x射线的运动学衍射理论衍射光栅Laue1912Bragg方程x射线的动力学衍射理论Ewald及其他人1916-182.固体比热理论Einstein独立振子模型1907Debye连续介质模型1912Born和vonKarman点阵动力学理论1912193.电子输运的理论Drude、Lorentz的金属导电的经典理论Pauli、Sommerfeld、Fermi的统计理论Bloch波的理论能带理论1928Wilson的理论19314.铁磁性研究Curie定律1895铁磁-顺磁相变温度Weiss的分子场理论1907Heisenberg的量子理论192820F.Seitz,1940,“ModernTheoryofSolids”L.Brillouin,1946“WavePropagationinPeriodicStructure”电磁波、弹性波、电子波以及自旋波实空间和倒空间Brillouin区固体物理学的核心概念C.Kittel,7editions,1953-1996IntroductiontoSolidStatePhysicsN.W.AshcroftandN.D.Mermin,1976SolidStatePhysics21Threetypesofwaveequations22slslslslslsMuutααβββ′′′′,′′∂=−Φ,∂∑0lslsslsαβαβ′′,′,Φ=Φ222110()()ctμε⎛⎞∂+∇×∇×=,⎜⎟∂⎝⎠DDrr()()()()μμεε+=,+=rlrrlr22()2iVtmψψ⎡⎤∂=−∇+,⎢⎥∂⎣⎦rhh()()VV+=rlr22F.Seitz,D.Turnbull,H.Ehrenreich,F.SpaepenSolidStatePhysics,AdvancesinResearchandApplicationsvols.1-57,1955-2002常规发展时期23ExtensionandmodificationoftheparadigmWavebehaviorbeyondperfectperiodicity•DiluteimpuritiesandsurfacesincrystalsFriedeloscillationsofelectrondensity•Concentratedimpuritiesmultiplescatteringweaklocalizationandenhancedbackscattering•StronglydisorderedsystemsAndersonlocalization•Quasicrystalsself-similarenergystructureandcriticalstate,singularcontinuity•Fractalstructuresscaleinvariance,fractons→→→→→→Eventodaythevitalityofthisparadigmisnotexhausted,newinvestigationsonphotonicandphononicbandgapsinthelate1980sandafter242.3向凝聚态物理学的发展互作用维度性对称性凝聚态物理学是从微观角度出发，研究由相互作用的多粒子组成的凝聚态物质的结构和动力学过程，及其与宏观物理性质之间关系的一门科学一场无限平稳的革命超出三维严格周期性，以更广泛的物质聚集体为对象25Largeamountofdiscoveries•Hightemperaturesuperconductors•IntegerandfractionalquantumHalleffects•Quantumtransportinmesoscopicsystems•C60moleculesandsolids•Giantandcolossalmagnetoresistance•RealizationofBose-EinsteincondensationStillimmensepossibilitiesarewaitingtobeexploredCoexistenceofintellectualchallengesandpracticalrewards26DimensionalityreducesArtificialnanostructures:superlattices,quantumwells,quantumwires,quantumdots,andsmallringsTransportphenomena:ballistictransportandtunnelingtransportUsingcoherenceofdeBrogliewavesanewexcitingsubfield:MesoscopicPhysicsaswellasNanoTechnology27Interactionincreases11()()NNHEΨ,...,=Ψ,...,rrrr()()vv+=rlr21()2iiiiiHHvm⎡⎤==−∇+⎢⎥⎣⎦∑∑r21()()()2vmψεψ⎡⎤−∇+=,⎢⎥⎣⎦rrr2211()22iiiijijeHvm≠⎡⎤=−∇++⎢⎥−⎣⎦∑∑rrr221111()()()22iiNNjiijevEm′⎡⎤−∇++Ψ,...,=Ψ,...,⎢⎥−⎢⎥⎣⎦∑∑rrrrrrr28Many-ParticleModelHamiltonians†2ijiiiiijiUHTccnnσσσσσσ=+∑∑dddddddHnnUnnVccccσσσσσσσσσεε++⎡⎤⎢⎥↑↓⎣⎦=++++∑∑∑kkkkkkkddsdHnnHσσσσεε=++∑∑kkk()zsdHJSccccSccScc++++−+⎡⎤⎢⎥′′′′↑↑↓↓↓↑↑↓⎣⎦′=−−++∑kkkkkkkkkk29表1.凝聚态物理学中有关的对称性3.凝聚态物理学中的重要概念3.1对称性破缺30HggH=ProfessorYangpoinedoutThefundamentalrhythminphysicsoftwentycenturyis二十世纪物理学的基本韵律Symmetry,QuantizationandPhaseFactorWhatisSymmetryinvarianceunderatransformationconnectedwithphysicalquantityunobservableaconservationlaworselectionrule31两位对凝聚态物理学作出重要贡献的物理学家L.D.Landau1930s-1950s超导理论(GL)、超流HeII理论、二级相变理论、Fermi液体理论对称破缺、序参量、元激发(使之普遍化)P.W.Anderson1950s-1980s无序系统电子理论、磁性杂质电子理论、软模相变理论、Josephson效应、超流3He理论、电导的标度理论广义刚度、缺陷、重正化群32多体问题、合作现象相互作用有序相基态电子-电子、电子-声子、磁矩-磁矩Bose统计、Fermi统计→→复杂性来源于破缺对称性导致的层展现象对称性破缺是凝聚态物理学的核心概念33表2.凝聚态物质系统中的对称性破缺及相关现象34对称性是普遍存在的。对称性的存在与破缺都是有意义的。对称性的存在是事物具有普遍规律的内在依据；而对称性的破缺则是事物表现出多样性的原因不同的相互作用不同的基态或不同的有序相，也规定了不同的元激发和缺陷→35经典系统原子位置存在关联长程序晶体、准晶短程序玻璃、液体完全无序气体量子系统动量空间状态被占据Bose子、Fermi子电子气体也可出现位置序电荷密度波、自旋密度波、Wigner晶体有序化3.2凝聚现象相空间，位形、动量，的分厢化36理论方法选择经典量子TT0TT0判据deBroglie波长λ与粒子间距a之大小之比202B3hTmka=在固体或液体中a~0.2-0.3nm电子me~10-27g，T0~1.6×105K离子mi=A×1.6×10-24g，T0=(50/A)K37图6.与对称性破缺有关的凝