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楼主: henryharry2

[建议] 凝聚态物理学

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 楼主| 发表于 2016-2-8 06:24:10 | 显示全部楼层

玻璃

玻璃是一种无定形固体,或者叫做非晶态固体,因为它的微观结构不像晶体固体(例如金属、食盐和冰)那样是有规则的晶格排列,而是一种类似液体那样的不规则排列。另外,很多高分子化合物如聚苯乙烯等也是无定形固体。但是,科学家并没有完全搞清楚玻璃的一切。例如,玻璃从液体转变为无定形固体的过程仍然令人摸不着头脑。
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 楼主| 发表于 2016-2-8 06:26:49 | 显示全部楼层

玻璃

大多数材料从液体变为固体时,内部的分子会立刻进行重新排列。也就是说,处在液体时,分子可以自由地走动,然后在某个时刻分子会突然发现自己被困住了,于是一种有规则的晶格排列就形成了。
但是从炽热的液体转变为透明的固体的过程中,玻璃分子的运动状态并不是突然发生改变的,而是随着温度的下降而逐渐放缓的,最终形成的无定形固体仍具有类似液体那种不规则的排列,但却具有固体那种坚固的性质。换句话说,在玻璃中,我们遇到了一种奇怪的现象:类似液体那种不规则的排列被神奇地固定了下来。
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 楼主| 发表于 2016-2-11 06:11:23 | 显示全部楼层

排斥势Hubbard模型

在研究Mott绝缘体等强关联系统时候,我们常常使用排斥势Hubbard模型,这里我们这种具有描述一般普遍的相互作用费米子系统的模型出发来构建超导系统的低能有效理论。这正是单重配对的玻色算符,在固定粒子数下该算符产生的态都是简并的。
在排斥Hubbard模型中,有限大小的跃迁t将打破这种大量简并的状态。考虑一个键连接着两个格点,其中一个有一对电子占据而另一个是空的状态,这对电子可以以两种方式跳到另一个格点(看哪个先跳);另外一种情况是其中一个跳到另一个格点后再跳回来,这也有两种方式进行。这些过程能量变化为-2t平方/U=-2J。
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 楼主| 发表于 2016-2-17 04:22:45 | 显示全部楼层

Peierls相变

1955年Peierls从理论上预言:一维金属是不稳定的,在低温下会发生晶格畸变,并伴随产生电子电荷密度的空间性调制,形成所谓的电荷密度波(charge density wave,简称CDW)。当调制波矢q=2倍费米波矢时,布里渊区边界与费米面完全“套迭” ,打开一个能隙,此时电子体系由于能隙形成而降低的能量大于因晶格畸变而产生的弹性能,整个电子晶格体系的能量降低,导致体系从导体到半导体的转变,即Peierls相变。
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 楼主| 发表于 2016-2-20 06:19:36 | 显示全部楼层

Kondo效应

对于纯金属随着温度的降低电阻逐渐降低直至电阻为零出现超导现象为止。如果金属中有杂质则由于杂质对电子的散射作用金属在低温下也有一个恒定的剩余电阻,马西森定律曾给予过描述。但是1930年代人们发现如果金属中的杂质是磁性杂质,则低温下电阻随温度的降低出现反常现象(随温度降低电阻升高)。
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 楼主| 发表于 2016-2-20 06:24:40 | 显示全部楼层

Kondo效应

电阻反常现象直到1964年Kondo(近藤)才给出合理的物理解释,当他考虑与磁性杂质散射的导带电子的自旋时他发现了一个这以现象的理论基础。但是Kondo的理论只能描述在低温下电阻的变化趋势,而不能给予准确的预测预言。因为按照Kodon理论随着温度的继续降低金属的电阻会无限大这显然是不合理的,但是在T(下标K)温度以上是相当准确的,这一温度被称为Kondo温度。随后Phil Anderson指出低温下的电子系统与常温下有着很大的不同因为低温下很多电子是被束缚的不能算是自由电子,这可能是Kodon理论失效的原因。1974年Kenneth Wilson在肯定了Phil Anderson的假设的前提下利用数值重整化的方法克服了Kodon的缺陷。他的理论工作说明,局域磁性粒子自旋被金属中电子屏蔽。
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 楼主| 发表于 2016-2-22 05:13:07 | 显示全部楼层

泡利方程

泡利方程中依赖于自旋的项包含着磁感应强度B*,它来自于电子和原子核之间的相对运动带来的参考系效应。对于电子来说,原子核看起来正绕着它旋转,根据Maxwell方程,运动的原子核电荷(即j)产生了磁感应强度▽╳B。然而,当使用这一简单图像的时候,可以得到B*=-v╳E/c平方,它有点太大了,比Dirac的结果多了一个因子2。正确的结果是
B*=-v╳E/(2c平方)
这个因子2有很长的历史,它是早期的一个谜团:在用非相对论性方法计算带有单个价电子的原子的精细结构(自旋-轨道)分裂的时候,给出的结果多出一个因子2。考虑到电子和原子核之间的参考系效应,托马斯在1926年对自旋-轨道分裂进行卓越不凡的非相对论性计算,首次解释了这一矛盾。托马斯计算的要点在于,在假定电子静止而原子核运动的图像中,涉及了非惯性参考系。计算静止原子核的能量,可以用非相对论性的方法得到正确的结果。在教科书中,这一参考系修正通常称为托马斯进动或者托马斯修正。现在我们知道,它直接来自于Dirac公式。
如果我们写下B*= -v╳E/c平方 + v╳E/(2c平方),就可以将B*视为来自于电子静止参考系中的传统的变换场-v╳E/c平方和指向相反方向的另一个磁场+ v╳E/(2c平方)。这个结果说明了用经典方法描述“自旋”这种量子力学和相对论性的概念时遇到的困难。
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 楼主| 发表于 2016-2-25 05:52:08 | 显示全部楼层

Kondo共振

假设磁性粒子只有一个电子态,磁性杂质电子位于这个电子态上,自旋向上。当磁性杂质电子遂穿出杂质粒子并占据费米能级时(几率很小并且存在时间很短),金属中费米能级附近的电子(自旋向下)便跳到磁性杂质能级上,从而实现了电子自旋翻转。在低温下许多相同的过程同时发生形成所谓的Kondo共振,这种共振显然对低温下电子的散射作用是很强烈的,可见电阻在低温下升高的原因了。
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 楼主| 发表于 2016-3-9 13:38:04 | 显示全部楼层

凝聚态物理学

经过半个世纪的发展,目前已形成了比固体物理学更广泛更深入的理论体系。特别是近年以来,凝聚态物理学取得了巨大进展,研究对象日益扩展,更为复杂。一方面传统的固体物理各个分支如金属物理、半导体物理、磁学、低温物理和电介质物理等的研究更深入,各分支之间的联系更趋密切;另一方面许多新的分支不断涌现,如强关联电子体系物理学、无序体系物理学、准晶物理学、介观物理与团簇物理等。从而使凝聚态物理学成为当前物理学中最重要的分支学科之一,从事凝聚态研究的人数在物理学家中首屈一指,每年发表的论文数在物理学的各个分支中居领先位置。
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 楼主| 发表于 2016-3-10 05:30:45 | 显示全部楼层

凝聚态物理学

目前凝聚态物理学正处在枝繁叶茂的兴旺时期。并且,由于凝聚态物理的基础性研究往往与实际的技术应用有着紧密的联系,凝聚态物理学的成果是一系列新技术、新材料和新器件,在当今世界的高新科技领域起着关键性的不可替代的作用。近年来凝聚态物理学的研究成果、研究方法和技术日益向相邻学科渗透、扩展,有力的促进了诸如化学、物理、生物物理和地球物理等交叉学科的发展。
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 楼主| 发表于 2016-3-13 09:08:25 | 显示全部楼层

磁现象的本质

磁现象的本质是量子的。玻尔早在1911年就指出,后来范列文在1921年证明:由经典力学出发的统计物理中,不可能有平均磁矩存在。那证明的基本思想是很简单的。根据经典电动力学,外磁场B进入系统总能量的唯一方式,是把每个粒子的动量P换成P - (e/c)A,其中A是矢量势,它的旋度就是磁场,即B =▽╳A。计算配分函数时要对一切P求积分,只要对积分变量做一次平移,A就从热力学函数中消失。平均磁矩M,作为磁场B的共轭变量,它必然等于零。
必须先假定每个粒子具有一个磁矩S,磁场才能通过相互作用项进入系统的总能量。这样,目前人们研究磁现象分成了两步走:一是用量子力学说明磁性的起因,二是假定粒子已有了磁矩,去求物质的宏观磁性。我们已经知道,目前人们普遍采用的这种两步走的方法实际上是错误的。
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 楼主| 发表于 2016-3-13 09:10:14 | 显示全部楼层

量子化的磁通

B实际上是一个宏观量子化的场。造成两步走这种错误处理方法的微观原因很清楚:在经典描述中,电场强度和磁场强度(或磁感应强度)被视为描述电磁作用的基本物理量,矢量势和标量势只是一种方便的数学工具;在量子层次描述,由于Aharonov-Bohm效应的确立,矢量势和标量势都不再仅是一种数学工具,它们有确定的物理意义,能产生可观测的物理效果。
在我们的理论中,既然B场宏观量子化的,就意味着一块磁铁的磁场很可能是由一个个量子化的磁通2πħ/q组成的。但怎样证实这一假设却是个大问题,一块磁铁必定含有大量的量子化磁通,谁也没有办法数的过来。
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 楼主| 发表于 2016-3-18 19:03:39 | 显示全部楼层

三维版本

高温超导体的相位涨落图像,与以前大家熟知的二维体系中的Kosterlitz-Thoulesse(KT)相变很类似。在KT相变问题中,在平均场相变温度以下存在一个KT相变温度。当温度超过KT相变温度时,正反涡旋束缚对被热运动破坏,这些自发涡旋破坏了超流体的长程相位相干,但是序参量振幅|ψ|仍保持有限。由于相位θ(r)无序,总的序参量的平均值为零。一般地讲,这个相位涨落的KT相变温度正比于超流劲度(superfluid stiffness),与超流电子密度成正比。在一个比KT相变温度更高的平均场相变温度,序参量的振幅|ψ|才趋于零。铜氧化物高温超导体的相位涨落就是KT相变的一个三维版本。
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 楼主| 发表于 2016-3-18 19:04:40 | 显示全部楼层

重要实验

根据Emery和Kivelson提出的预超导配对理论,在赝能隙态应该存在局域的动态的Cooper对,即某种超导残余,赝能隙实际上就是超导配对引起的。Orenstein小组对Bi2212超导体所作的高频(100~600GHz)电导率实验显示超导转变温度以上存在着短寿命的涡旋激发,他们的结果说明动态的磁通涡旋激发在超导转变温度以上是确实存在的,是支持Emery和Kivelson提出的超导预配对理论的一个重要实验证据。能斯特效应测量则是证实在超导转变温度以上存在磁通涡旋激发的另外一个重要实验。
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 楼主| 发表于 2016-3-18 19:05:37 | 显示全部楼层

Bogoliubov-Valatin方程

似乎在20世纪50年代后期,南部阳一郎就预见了我们的结果,南部采用了Bogoliubov对BCS理论的重新表述,并把它看作广义Hartree-Fock近似处理,从而澄清了规范不变性、能隙和集体激发之间的逻辑关系。更重要的是,南部提供了一个探索超导性和量子场论之间富有成效的类比的恰当起点。Bogoliubov对超导性的处理,把超导体中的元激发描述为电子和空穴(准粒子)的相干叠加,这些电子和空穴遵守Bogoliubov-Valatin方程。
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 楼主| 发表于 2016-3-18 19:06:37 | 显示全部楼层

相似性

这个理论不可能是规范不变的,因为准粒子不是电荷的本征态。不过,南部阳一郎的工作表明,规范不变性的缺失并不是BCS-Bogoliubov理论的缺陷,但是由于能隙是规范相关的,因此规范不变性的缺失深深植根于超导体的物理实在中。对于超导转变,ψ是一个复数。在正常态,矢量长度|ψ|为零,各个方向等价。这是在抽象的序参量平面上,绕原点转动的U(1)规范对称性。发生超导(或超流)转变后,|ψ|不再是零,特定的相位θ破坏了原来满足的U(1)规范对称性,恢复对称的模式为集体激发。1959年,南部提出在场论的手征不变性问题和Bogoliubov表述的超导规范不变性之间存在一种类比。在数学层面上,这种类比是完备的。在Bogoliubov-Valatin方程组和手征不变的Dirac理论中的方程组之间有严格的相似性。
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 楼主| 发表于 2016-3-18 19:07:41 | 显示全部楼层

不仅仅是类比关系

在我们的理论中,左手-右手配对态和Bogoliubov-Valatin方程组之间不仅仅是类比关系,它们在局部是同构的。让我们退回到氢原子的SO(4)动力学对称性上,SO(4)动力学对称性可以表示为两个SO(3)群的直积,既然左手螺旋群和右手螺旋群分别都与SO(3)转动群同构,那么SO(4)群也可以表示为左手螺旋群与右手螺旋群的直积。从这个意义上讲,我们将双重几何与单重几何的对偶性称为极矢量与轴矢量的对偶性也是对的,因为Runge-Lenz矢量是极矢量,而在左手螺旋群和右手螺旋群作用下不变的是轴矢量。
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 楼主| 发表于 2016-3-18 19:08:40 | 显示全部楼层

位置空间

除了上述来自铜氧化物高温超导体的证据之外,我们的理论还可以解释其它问题,极矢量与轴矢量的对偶性可以解释马梯亚斯发现的超导体的三、五、七经验规律。最重要的是,可以推导出马德隆规则,因为主量子数n是极矢量产生的,而角量子数l是轴矢量产生的。也可以解释为何掺杂世界上最重的元素(汞、铊、铋等)有利于提高铜氧化物的超导转变温度,从目前的量子力学框架来看,没道理啊!左手、右手螺旋态的预配对是位置空间的配对,在位置空间的预配对中,质心坐标的稳定性很重要,而掺杂自然界最重的元素提高了质心的稳定性。
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 楼主| 发表于 2016-4-5 05:46:57 | 显示全部楼层

铁基超导体

2008年,一类新型超导体——FeNi基氧硫族层状超导体占据了超导领域的中心,其中我国的科学家做出了世人瞩目的贡献。经过一年左右的探查,基本上理出了概貌。我认为可以概括地说:在zrCuSiAs类结构的几百种材料中仅有Fe基小家族具有高超导电性。从目前已有的实验可以初步看出,它们是介于BCS超导体与铜氧化物超导体之间,靠近:BCS又有铜氧化物痕迹的一类超导体。其特征为:电声作用较强,具有畸变s波对称;但在超导转变温度之上又显现电子-电子相互作用迹象——电阻率ρ正比于T平方;母化合物是差金属,既不是近自由电子也不是绝缘体;不应是k空间配对,也不是完全实空间配对,其上临界磁场介于BCS与铜氧化物超导体之间,50~60T(低超导转变温度样品显示有更高的上临界磁场);ARPES与能带计算吻合较好,说明它们是弱关联的多带系统;穿透深度λ约为190nm;这个层状化合物家族在Fe层内是直接交换,层间是离化作用;超导区与磁性近邻,但是否共存仍有待进一步研究;除了磁有序随掺杂演进有待补充数据外,赝能隙是否存在仍是争论问题之一;总之,制备好的单晶仍是当前的主要挑战,将对一些实验属性给出结论性的结果。它将有助于人们准确地概括这个小家族的共性及样品差异,进而推动机理的研究。
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 楼主| 发表于 2016-4-7 14:44:04 | 显示全部楼层

超流和超导

20世纪50年代,人们对超导电现象分别持有两种不同的观点。一部分人认为超导和超流的机制是相同的,与产生超导电现象的介质的特性无关,他们认为在液氦情况中,原子间的范德瓦尔斯相互作用导致了超流现象的产生。海森堡坚持这一论断,根据电子间的库仑作用提出了他自己的超导理论。另一派(BCS理论)认为,超导电性是一种宏观量子现象。用杨振宁提出的术语,这是一种非对角长程序。它类似于(但不等同于)液氦的超流动性。
我们认为,超流和超导的观点实际上是互补的。液氦中的声子不同于晶格中的声子,它的动量p = ħk是真实的动量。这样液氦背景就产生一个类能带的结构。而根据“薛定锷蛋”理论,由于存在|薛定锷鸡> 和|薛定锷蛋>之间的虚拟束缚态和虚跃迁,经过动态重整化后,类能带将自动劈裂成两个能级,不妨称之为下能级和上能级,上、下能级之间隔着一个能隙Δ。
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