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楼主: henryharry2

[建议] 凝聚态物理学

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 楼主| 发表于 2015-11-20 10:11:19 | 显示全部楼层

枷锁

打破了热力学第二定律的枷锁后,无序可以自发地向有序转化。以日冕加热问题为例,有个能量困难和传递困难,太阳对流层上能量比比皆是,可是如果戴上热力学第二定律的有色眼镜,这些能量便无法提取出来。对流层有许多“米粒”,“米粒”的存在本身就偏离了热力学第二定律。承认引力会使熵减少后,这些湍动、涨落的能量就可以提取出来,传递到太阳大气上层,能量困难便不再是困难。
天体物理中热能向有序运动的转化涉及到角动量转移的问题,角动量有可能是能够直接看得见的,例如大气环流。也有可能是内禀的,例如自旋。Dirac理论只能用于微观领域,“薛定锷蛋”理论却可以应用到宏观自旋,太阳黑子上没有明显的气旋运动,表明太阳黑子的磁场是自旋携带的。太阳黑子外观是很像热带气旋,它们的区别在于一个是内禀运动,一个是表观运动;有了“薛定锷蛋”理论,我们就可以统一处理表观运动和磁场。太阳黑子也是无序自发地向有序转化的一个浅显例子。
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 楼主| 发表于 2015-11-27 07:29:19 | 显示全部楼层

Landau的费米液体理论

Landau的费米液体理论一个最基本的假设就是有相互作用的费米系统(费米液体)的状态与另一个假象的理想费米系统(费米气体)相对应,后者中的真实粒子换成准粒子(Quasi-particle)就成了前者。但是很容易引起疑惑的是,前者的准粒子作为一种元激发是如何重整化得来的呢?而且最奇怪的是费米液体系统的准粒子之间有相互作用,这难道不是违反了准粒子描述(即消除耦合或相互作用)的初衷了吗?以下对其进行阐释。
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 楼主| 发表于 2015-11-29 04:49:27 | 显示全部楼层

Landau的费米液体理论

1、Landau该理论是一种唯象理论,本身需要硬性引入一个唯象参数即重整化质量m*,然而其值必须通过实验测量,理论本身是不回答这个具体值的。这是和作为微观理论的Green函数法的本质区别(类似的例子,比如朗道-金兹堡超导唯象理论中的伦敦穿透深度和相干长度;Drude模型中的迟豫时间τ等等)。关键在于它不涉及相互作用的微观机理,而用一个平均场代替了事。于是,这个理论要求我们把出发点放在已经得到准粒子的基础上而非如何得到准粒子上,即我们只能直接讨论准粒子的统计性质与系统宏观热力学性质的问题而不需也不能过问怎样从原费米液体中量子关联着的真实粒子重新组合成所关心的准粒子的问题。
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 楼主| 发表于 2015-11-30 04:49:20 | 显示全部楼层

Landau的费米液体理论

2、对于金属中的近自由电子,如果运用费米液体理论,那么准粒子可以就是原电子的本身(原因见第3点),但对其behavior的描述却变了。打个比方,得克萨斯大学里有哲学系、历史系、古代研究系、数学系、物理系、化学系、生物系、音乐系等等,是一个个“电子”,但它们之间经常有来往而不是独立的个体,所以为了管理方便我们不好按系去划分,需要按照新标准去划分,比如按“教派”去分,这样一来各系信基督教的人们和各系信誉犹太教的等等基本就是独立的团体了,相当于“准粒子”。
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 楼主| 发表于 2015-12-1 11:06:49 | 显示全部楼层

Landau的费米液体理论

但是,实际情况非常复杂,可能根本无法找到一种划分人的方法使各团体之间达到完全独立,而只能一定程度上减小它们之间的关联,这就正如费米液体中的准粒子之间无法像声子一样达到完全的独立。如果情况变得极端一点,我们并不重新划分学校里的人群,而只是把哲学系变成“哲学学院”,物理系称为“物理学院”。即换汤不换药地像国内一样形式主义一把,那么这些“新出现”的“学院”就是本段上边提到的电子费米液体的准粒子,它不是原来电子自由度的重组,而就是原粒子本身改名换姓罢了(但等效质量等性质要变化的,下有说明)。
3、(最核心一点)既然运用准粒子描述并不是消除coupling的良方,原粒子之间的耦合带来准粒子之间的耦合,那难道说Landau仅仅在玩一个形而上学的游戏吗?不,这恰是Landau的智慧所在。
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发表于 2015-12-2 11:13:07 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2015-12-3 04:43:07 | 显示全部楼层

重电子体系

重费米子体系主要包括一些含有稀土金属如铈镱,锕族金属元素如铀的金属化合物。这类化合物在低温下表现为超导,反铁磁或铁磁,或者费米液体的行为,但是有很高的比热,通常认为准粒子有很高的质量,因此叫做重费米子材料。从微观的角度来看,体系内包含了两个组分的电子的磁相互作用,一类是自由的导带电子,一类是局域化的f电子,如铈离子上面只有一个电子,这些铈离子之间的间距超过了f电子波函数机率分布的主要范围,因此一般认为这些f电子是局域化的,之间没有跃迁。但是导带电子和这些局域f电子的波函数有叠加,因此两个组分之间存在杂化。另一方面由于f电子很强的局域库伦相互作用,体系表现出强关联的性质。f电子的能级远远低于费米能级,因此f电子电荷的涨落往往可以忽略,这样f电子和导带电子的杂化就简化为导电电子自旋和f电子自旋之间的磁相互作用。对单一的f电子来说,就是一般的近藤耦合。对于一个晶格的f电子来说,这样的耦合还导致了晶格上不同f电子之间通过导带电子传递的有效的磁相互作用,一般称为RKKY相互作用。在高温的情况下,这些f电子实验上表现为独立的行为,但在低温出现了关联,导致了重费米子的行为。
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 楼主| 发表于 2015-12-4 04:54:19 | 显示全部楼层

非BCS类型的超导体

重费米子体系作为最早发现的非BCS类型的超导体,主要的工作在于研究导致其超导行为的物理原因。一般认为与高温超导体一样,超导性是来自于f电子的自旋涨落诱导形成库珀对。但是正如高温超导体在理论上还没有被理解一样,重费米子体系的物理起源也还不很清楚,虽然不断地有实验支持超导体的磁性起源,比如在某些体系中发现了反铁磁相和超导相的共存等。
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 楼主| 发表于 2015-12-5 05:32:55 | 显示全部楼层

量子临界行为

另外一个重要的方向是理解体系的量子临界行为,这一点和高温超导体很像。传统的量子临界理论是自旋密度波理论,亦即在从费米液体到反铁磁相的量子相变中,越接近临近点,反铁磁序参量涨落的空间关联和时间关联长度就越长。但这个理论在某些方面和实验不符合,主要是实验上中子衍射发现磁化率随频率和温度表现出频率/温度的标度行为。这导致了一些新的理论建议,比如局域量子临界性和前面讨论的退禁闭量子临界行为。但这两种理论也都有局限性,比如局域量子临界行为理论上只在二维体系成立,但目前发现这种标度行为的体系似乎更像三维的,而退禁闭量子临界行为似乎要求体系内一定的相干性,而金属中的电子涨落很可能破坏这种相干性。
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 楼主| 发表于 2015-12-6 07:22:58 | 显示全部楼层

温度标度

还有一个最近的进展是发现了在很多的重费米子材料中存在一个高温的温度标度。这个温度区分了f电子高温的个体行为和低温的集体激发,表现在一系列不同的物理性质中,比如光电导,电阻,磁化率。有趣的是,在这个温度上发现f电子的熵恰好是自由f电子的熵,很不同于一般的单个磁性电子的近藤行为。对许多材料的研究表明这个温度可能恰好对应于RKKY相互作用的强度,至少两者有类似的行为。这里有一个问题是传统的数值计算给出的RKKY相互作用的强度要小一个量级,但是目前并不清楚这到底是计算方法的原因还是别的什么原因。但无论如何,如果这个温度标度确实存在,那么就必须在理论上得到解释。
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 楼主| 发表于 2015-12-9 10:39:34 | 显示全部楼层

温度标度

传统的理论是把重费米子材料整个晶格的f电子的行为当成单个f电子行为的一个晶格扩展。也就是说单个f电子由于和导带电子的耦合导致的近藤效应而出现一个在费米面附近的共振态,然后不同格点上的共振态再彼此重叠发生跃迁形成一个能带,就是重费米子能带,具有大部分的f电子的特征。这样一来,体系的特征温度就应该是一个晶格修正后的近藤温度。但是没有理论能够给出一个合适的温度的表达式。更重要的是,重费米子体系的个体行为看起来是如此不同,并不存在一个很简单的如同单个f电子的近藤效应的普适行为,因此很难定义一个温标。
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 楼主| 发表于 2015-12-13 05:13:25 | 显示全部楼层

二硼化镁超导体

超导体,顾名思义就是通电流后没有能量耗散的导体;1911年,荷兰的科学家 Onnes发现水银的超导现象后,人们在随后七十余年的岁月中,只将转变温度提高到23K(约零下250℃),2001年3月初,日本科学家报道了二元材料二硼化镁(MgB2)在39K左右表现出超导特性。理论计算表明,在二硼化镁中有不只一个能带跨越费米面,电声耦合所造成的费米面失稳完全可能在两个能带的费米面处产生能隙!这一点又与传统的所有的超导体完全不同,有关两个能隙的图像后来被比热、核磁共振、电子隧道谱和角分辨光电子谱的实验广泛证实。有关两个能隙是如何形成的以及它如何影响超导特性是目前有关二硼化镁超导体研究的热点。二硼化镁超导体在电、磁、热等方面具有重要的应用。
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 楼主| 发表于 2015-12-15 13:41:38 | 显示全部楼层

RKKY相互作用

上面的工作的意义在于整理了过去几十年的数据,发现这样一个温标的定义是可能的,并且体现在很多物理性质中的,而这个温度标度具有和RKKY相互作用相同的行为,很有可能就是RKKY相互作用。这后面的论断至少表面上是很有道理的。因为RKKY相互作用是局域f电子之间由于导带电子的传递而导致的有效磁相互作用,那么当温度高于这个相互作用和低于这个相互作用时,f电子表现为独立的行为或者关联行为是很自然的。
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 楼主| 发表于 2015-12-27 04:18:42 | 显示全部楼层

二硼化镁超导体

图4 二硼化镁、铁基超导、铜基超导材料的典型结构和费米面
image.jpg 2001年日本科学家在二硼化镁(MgB2)材料中发现39K的超导电性,后来该材料被证实为常规超导体,目前为止发现的临界温度最高的常规超导体,距离40K的上限仅一步之遥。之所以能达到如此高的临界温度,是因为这种超导材料中有多种类电子都参与了超导电子配对,又被叫做多带超导体(见图4)。既然是常规超导体,40K的麦克米兰极限也同样适用于二硼化镁,十余年来,物理学家在二硼化镁中无论怎么掺杂或者加压,都无法突破这个“紧箍咒”。
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 楼主| 发表于 2015-12-30 15:00:48 | 显示全部楼层

Jahn-Teller金属

Jahn-Teller金属可以说是物质状态大家庭里的新生儿,2015年科学家们头一次成功创造出这种金属。如果该金属能被其他实验室认可,这将改变我们对整个世界的认知,因为Jahn-Teller金属既是超导体,又是绝缘体。
由化学家Kosmas Prassides带领的研究团队将铷原子引入碳60(又称巴基球)中,改变了碳原子之间的距离,迫使其形成了一种新的晶体结构。该金属的名字来源于Jahn-Teller效应,该效应描述了压力是如何改变分子几何结构从而形成新的电子排布。从化学的角度上看,压力不光可以通过压缩物体来实现,还可以通过在原有结构的基础上增加新的原子或分子,改变基本属性来实现。
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 楼主| 发表于 2016-1-9 05:19:14 | 显示全部楼层

Doniach相图

重费米子体系的低温超导或者反铁磁相和临界行为一般可以用一个所谓的Doniach相图来表示。这个相图表明随着局域电子和导带电子磁性耦合的强度的变化,在弱耦合下表现为反铁磁行为,而在强耦合下表现为超导行为或者费米液体行为。传统上这个图的理解是认为存在这个RKKY相互作用和局域的近藤效应的竞争。在弱耦合下,RKKY相互作用远大于近藤效应的能量尺度,因此f电子之间的耦合起主要作用,体系表现为反铁磁行为;而在强耦合下,近藤效应占据重要作用,从而局域的f电子的行为变得更为明显,因为近藤效应在低温下表现为费米液体行为,因此重费米子体系也表现为费米液体行为。
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 楼主| 发表于 2016-1-12 09:21:20 | 显示全部楼层

两个温标

但是上面的工作对这个观点也提出了不同的看法,因为在传统的相图中,RKKY相互作用和近藤效应的尺度都是没有合适的理论计算的,只是一个定性的图像。上面的那个工作用单个f电子的近藤效应的温度尺度代替了传统相图中假设的晶格的近藤效应的温度尺度,又用从实验数据中发现的这个新的温标代替了传统的定性估计的RKKY温度。但这样一来,立马发现在大多数的重费米子体系中,RKKY温标远远大于近藤效应的温标。那么就没有道理认为临界现象是由于这两个温标的竞争了。这就提出了一个新的问题,当然这是很新的工作,还有待时间和同行的考验。
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 楼主| 发表于 2016-1-13 06:08:18 | 显示全部楼层

鸡眼

鸡的眼睛中有五种视锥细胞,四个用来区分颜色,一个用来检测光。然而不同于人眼或其他昆虫的六角形眼睛,其视锥细胞的排序是随机而无序的。因为鸡眼中的视细胞大小、形状各异,而且存在“禁区”,这使它们不能形成如同固体粒子般有序的晶体结构。事实证明,当把所有视锥细胞看成一个整体时,我们看到的是高度有序的图形分布。因此,当我们近距离观察鸡眼中的视锥细胞时它是液体,远看时则可以把它看成固体。这不同于非晶型固体,因为超齐构体拥有了非晶态固体所不具备的液体特性。
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 楼主| 发表于 2016-1-18 05:20:29 | 显示全部楼层

重电子

重电子出现在某些金属或合金中。之所以称为重电子,是因为这些金属中电子的有效质量m*与自由电子的质量m之比值异常地高(m*/m~100-1000),故称为重电子。例如CeAl3的比值为600,CeCu6为740,CeCu2Si为460,UBe13均大于100。同时,具有重电子的金属称为重电子金属。
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 楼主| 发表于 2016-2-2 04:50:05 | 显示全部楼层

反铁磁自旋涨落

直到上世纪七十年代中叶,所有的超导都是由晶格振动引起的,超导能隙具有s波对称性。这些超导体被称为常规超导体。之后,人们陆续在重费米子及铜氧化物超导体中发现,超导能隙函数(d波)的对称性低于晶格的对称性。这一类超导体通常被称为非常规超导体。人们认为,反铁磁自旋涨落导致了这一类材料的非常规超导态。磁性的另一形态是铁磁有序。有数据表明,UGe2等物质在铁磁有序态里发生非常规超导。但是,迄今为止还没有发现任何物质在铁磁自旋涨落的背景下实现非常规超导。
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