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楼主: henryharry2

[建议] 凝聚态物理学

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 楼主| 发表于 2016-4-7 14:45:23 | 显示全部楼层

超导 + 超流

在最低温区,液氦中所有的元激发都是声子。温度升高,越来越多的声子跨越了能隙,从下能级迁移到了上能级,从而转变成旋子(roton)。这同半导体中的热激发电子类似。随着动量增加,元激发的能量反而下降,实际上,这和Gunn效应中的负微分电导机制类似。这样,我们就解释了旋子的起源,旋子可能像“自旋子”。
动态重整化与Peierls相变相似,只不过动态重整化与具体的晶格无关,并且不局限于一维;但是动态重整化与Peierls相变都有利于低维结构。非常规超导体都属于低维结构。我认为二硼化镁超导体可能就是属于:超导 + 超流的混合超导结构。二硼化镁的超导转变温度是39K,不要被McMillan极限忽悠了,我认为McMillan极限至少把BCS理论的能力夸大了一倍。
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 楼主| 发表于 2016-4-7 14:47:23 | 显示全部楼层

“反常”

事实证明,除了几种“反常”的超导体之外,常规超导体的超导转变温度通常小于20K。基于电-声子耦合的BCS理论解释不了这些“反常”,而我们的理论可以解释这些反常,例如利用薛定锷波和“薛定锷蛋”的对偶性可以解释马梯亚斯的3、5、7经验规律。二硼化镁超导体是二维结构,导电电子是π电子,动态重整化后,离域的π电子可能会像苯环中的π电子一样,经过类Peierls相变产生一个能隙,这个能隙和电-声子耦合产生的能隙叠加在一起,有效地提高超导转变温度。事实上,反式聚乙炔的导电能力比铜还要好,证明了动态重整化或者Peierls相变产生的能隙确实很管用。
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 楼主| 发表于 2016-4-10 14:39:14 | 显示全部楼层

赝能隙

高温铜氧化物超导体(YBCO)的超导机制是最近几十年凝聚态物理中的重大难题之一,在铜氧化物中发现的超导电性给人们带来了巨大的冲击,不仅仅是因为高的超导转变温度,更重要的是这些材料在正常态的奇异特性。与传统的BCS超导体相比,高温铜氧化物超导体显示出许多不同的性质,其中最大的区别就是在超导转变温度Tc之上能隙仍不消失,即存在一个正常态能隙,这就是通常所说的赝能隙(pseudogap)。赝能隙现象是空穴型铜氧化物超导体的一个普遍特征。不同的测量手段,如角分辨率光电子谱、核磁共振、光电导、电阻率温度关系、Hall角温度关系等, 都发现在超导转变温度以上有赝能隙打开。
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 楼主| 发表于 2016-4-10 14:42:11 | 显示全部楼层

费米弧

赝能隙态的转变温度T*要比超导转变温度Tc高很多,且能隙大小随掺杂的增加单调减小,在最佳掺杂和过掺杂区不再出现。温度降低至Tc时,赝能隙连续平滑地演变成超导能隙,系统进入超导态。赝能隙态的一个重要特征是费米弧的出现,即具有通常意义下的费米面,但该费米面仅能在布里渊区节点区域附近一定的弧线段内被探测到,这就是通常所说的“费米弧”(Fermi arc),其长度随温度和掺杂而变化。一般认为这与赝能隙首先在近反节点区域打开,然后逐渐沿费米面向节点区域扩展相联系。
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 楼主| 发表于 2016-4-10 14:43:54 | 显示全部楼层

高温超导机制的特殊性

对于高温超导机制的特殊性,目前RVB理论、spin bag机制、邻近反铁磁费米液体模型、Nesting模型、任意子理论以及“边缘”费米液体理论等等。众说纷纭,至今仍未见一种能够解释高温超导如钇钡铜氧足以令人完全信服的理论。人们对通过继续完善BCS理论亦或是建立全新的理论去解释高温超导机制也存在不同意见,持不同见解的大概分为费米液体派和非费米液体派。当然,我们通常的超导BCS理论是在费米液体正常态的框架上建立起来的机制。
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 楼主| 发表于 2016-4-10 14:46:27 | 显示全部楼层

强关联体系

那么为什么说高温超导这个系统不再是简单BCS的配对能起效果呢,那是因为BCS代表的是弱关联系统,而铜氧化物高温超导是有绝缘体作为母体来掺杂形成的,和Mott绝缘体类似,首先二氧化铜平面会产生很强Coulomb作用导致强关联形成,这就是为何高温超导颇让人头痛----因为一切强关联体系都让人头痛。
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 楼主| 发表于 2016-4-10 14:50:14 | 显示全部楼层

配对电子的凝聚

首先是从实验来看看我们超导里面的准粒子到底“长”什么样的。以前我们最早在s波超导里面观察到2e的电荷输运。后来铜氧化物里面载流子看着也是成对的2e。按照BCS那很好解释:就是Cooper对凝聚的超流。那怎么高温超导里面用BCS就不行?按道理必须行啊,这肯定也是配对电子的凝聚啊。这就是惯性思维。首先我们要了解我们到底是怎么看到像是成对的现象:实验上其实测量到的是量子磁通的大小h/2e,以及Josephson电流。
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 楼主| 发表于 2016-4-10 14:57:50 | 显示全部楼层

关键问题

人们若根据以前配对的图像来看可认为铜氧化物里面的的载流子是2e。那么到底是什么在起到电子成对的作用?这个一直是一个关键问题。当然早期也有人去折腾d波BCS理论,只不过这种理论和实验测量一对比自然是弊病颇多。根据高温铜氧化物超导体的同位素效应指数远小于0.5,这使得许多人提出了非电声超导机制或混合超导机制,不只交换声子,还有别的玻色子作为中介形成有效吸引作用使得电子配对,譬如激子、磁振子等等。由于它们都没有跳出原来BCS的框架:Cooper对的相干凝聚,导致它们也基本以失败告终。
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 楼主| 发表于 2016-4-12 05:40:02 | 显示全部楼层

密度波模式

实验上发现没有Cooper对BEC那种非对角长程序超流,反而是有长程电荷序的d-密度波模式,类似CDW/SDW的密度波序;而且高温超导最大特点赝能隙以及其导致Fermi弧的发现更是对BCS理论当头一棒(总的能隙大小随动量空间方位角变化的图像具有“U”形而非简单的BCS d波超导体的“V”形);在高温铜氧化物超导体的赝能隙态中还存在着一个不破坏平移不变性的磁有序相,这些结论都与d-密度波的预言一致。
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 楼主| 发表于 2016-4-17 05:19:53 | 显示全部楼层

对偶

人们使用了几乎所有的实验手段,还没有找到传说中的铜氧化物高温超导体中的玻色子。实际上,铜氧化物高温超导体的配对机制可以从双重几何与单重几何的对偶性推导出来。我们知道,涡旋和电荷对偶,经过两次对偶变换后,电荷又变换成电荷。这是A. Zee发现的:Maxwell与Meissner对偶,Meissner与Maxwell对偶,陈-Simons和陈-Simons自己对偶。
现在我们实施一个双重几何到单重几何的对偶变换,单重几何遵从位似变换规则,反推回去可以得到g因子2,于是自旋被变换成了自涡旋。再做一个单重几何到双重几何的反变换,电荷不再是简单地变换回电荷,而是变换成了类似于Runge-Lenz矢量的一种极矢量荷。用我们的理论可以解释原子核的集体模型。
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 楼主| 发表于 2016-4-17 05:47:20 | 显示全部楼层

反铁磁关联

铜氧化物高温超导体和铁基超导体的母体都是反铁磁性的,于是很多人相信高温超导体的配对机制与反铁磁关联有莫大的关系。我们看到,这种想法可能是对的。经过一个双重几何到单重几何的对偶变换后,局域的自旋会变成自涡旋,反铁磁关联会变换成正、反自涡旋,电子可以通过正、反自涡旋直接配对成Cooper对,无需借助于某种形式的玻色子。铜氧化物高温超导体是第二类超导体,超导配对是如此之强,以致于100T的磁场(这几乎是人类能够获得的最高的磁场强度了)还不能将超导完全压制掉。
与Runge-Lenz矢量对应的极矢量荷相当于内场,(可能服从牛顿-庞加莱统计),对应于高的超导转变温度。有报道称掺杂后的碳足球的超导转变温度可以高达117K,不知道是真是假。我认为碳足球可能和共振价键有关系,碳足球是一种三维版本的芳香烃,而苯环正是Pauling的共振价键的原型。
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 楼主| 发表于 2016-4-18 14:45:57 | 显示全部楼层

反铁磁关联

LSCO(x=0.14)的双磁子拉曼散射峰,在很低温度下,外加磁场达到14T,原来很弱的双磁子峰被剧烈增强,表明体系中反铁磁的关联大大增加,这是个令人惊讶的结果。中子散射的结果,在(π, π)点的反铁磁共振模式,经过外加14.5T的强磁场后,也出现剧烈的增强,与双磁子拉曼过程给出一致的信息。这种反铁磁的增强,被认为是外加磁场引入了大量的磁通涡旋,根据理论上一些理解,磁通涡旋中心的正常态的短程反铁磁关联得到恢复。这个结果对铜氧化物超导机制的研究具有重要的含义。
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 楼主| 发表于 2016-4-27 05:37:50 | 显示全部楼层

广义刚度

我们对固体的刚度并不陌生,牵拉固体的一端,另一端即随之而来,仿佛是天经地义。但仔细考虑一下,刚度的出现颇有些出人意料之外,因为它并未包含于简单的物理定律之中。这是一种层现(emergent)性质,即它只作为较高物质层次的性质出现,而在底下的层次中却没有它的地位。它是样品整体发生对称破缺而能量取极小的结果。这时晶格的取向和位置有规则性,并在外力作用下,晶格从一端至另一端可以无损耗地传递这个力。
刚度的概念来自力学抽象,但可以推广到所有与对称破缺有关的情况。Anderson称之为广义刚度。它与大多数有序态的特殊性质有关:铁磁、超导、超流等。举例来说,永磁体就是这样,磁化不能一次只改变一点儿,而必须整个宏观的磁畴一起倒转,才能使磁性反转。超导电性是与规范变换相联系的电子对流体的相位刚度,Josephson效应的发现是一个最好的证据。把刚度概念与超导电性相联系可以追溯到F. London 1930年代的工作,因而Schrieffer称之为London刚度。从序参量η出发,我们可以对广义刚度做出比较普遍的表述。
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 楼主| 发表于 2016-5-1 05:47:30 | 显示全部楼层

反铁磁基态

当在Heisenberg哈密顿量中的J <0时,相邻格点上的自旋倾向于反平行排列。于是理论分析一般采用双子格模型。尽管双子格模型相当于铁磁性模型的自然推广,反铁磁基态的研究却遇到了困难迄今尚未确定,而且还存在着与格点几何排列有关的自旋失配问题。不过,一维链的反铁磁基态已由Bethe严格地解出(ansatz),并不是完全有序的反铁磁相;Anderson处理了二维系统的反铁磁基态问题,得出了类似于自旋液体的共振价键(RVB)态。
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 楼主| 发表于 2016-5-8 05:53:10 | 显示全部楼层

不可理喻

利用ε展开来求临界指数是一种近似方法,它给我们提供了一个理论工具,帮助我们去理解在相变现象中空间维数的重要作用。作为一种近似方法,还存在某些疑点,例如,对ε=1即d=3维的Ginzburg-Landau模型的结果很好地符合,这令人很难理解。
对ε=1的展开为何与实验事实相符,动态重整化可以解释,动态重整化相当于把抽象的1维映射成一个物理维。实际上,对于重整化群理论来说,ε= 1的展开完全是不可理喻的,对应于一种无法控制的发散;而对于动态重整化来说,就没有发散的问题。
动态重整化可以给出软模相变中的中心峰的合理解释,也可以给出临界指数之间的标度律的一个简单解释。例如Fisher标度律:γ=ν(2-η),动态重整化意味着序参量和临界涨落实际上是对偶的。动态重整化也意味着所有临界现象可能都是宏观量子化的!
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 楼主| 发表于 2016-5-18 04:22:57 | 显示全部楼层

未彻底解决

严格讲,我们应该精确地弄清重电子金属的能带结构。实际上,能带结构计算已经不少,一般使用自洽场和局域密度近似。所有的能带结构都有窄f-带的特征,而Fermi能级钉扎于f-带的较下位置。由于原子间距大,直接f-f重叠往往可以忽略,f-带宽的主要部分是由于和非f电子杂化而来。从能带计算得到的态密度来推出有效质量,其数值比自由电子质量大一个量级,但仍远小于比热测量的结果。由于晶场、配基场或化学键合作用引起能带分裂,其中每一个贡献将倾向于产生态密度更大的子带,它将改变有效质量m*。但就是把这些因素综合起来考虑,还难以完全解释m*>20m的有效质量。所以定量上讲,重电子金属的问题还未彻底解决。
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 楼主| 发表于 2016-5-26 14:40:15 | 显示全部楼层

重要差别

Landau的二流体模型在实验上取得很大成功,而提出的元激发的色散曲线也被实验所证实,那么二流体模型的流体动力学方程理应从元激发的热激发性导出。这样二流体模型就有了坚实的理论基础。在推导以前,我们要指出液体He II中的声子与固体中的声子有着重要差别。固体中的原子局域在晶格位置上,与振动运动相关的声子不携带真的动量,所以形式上的p=ħk称为“准动量”。而液体中的分子不再局域在晶格位置上,它具有真实的动量。从液体中声波的量子描述可以证明:如果质量M的氦有一动量Mv,若产生波数为k的一个声子,则总动量P=Mv+ħk。
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 楼主| 发表于 2016-6-2 04:31:54 | 显示全部楼层

熵波

剑桥大学研究组使用简单而灵敏的仪器,发现了一个重要事实:通常热导的速度与温度差成正比,而在氦II中,与通常的热传导过程不同,通过氦II的热流不是与温度差成正比。事实上,却正好相反,这种温度差越低,热导率反而更大。氦II的热导率比氦I的热导率大百万倍。热流与温度差不成比例,是由热-机械效应所引起的。
熵波是靠内部流动传递的。内部流动不是靠密度差异引起的,而是靠两种流体内部的特殊流动机制支配的。它们能在相互之间没有摩擦地流动,但是在宏观层面上所表现出的总质量流为零。
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 楼主| 发表于 2016-6-6 05:00:07 | 显示全部楼层

中心峰的内禀机制

软模与声子密度涨落间的耦合过程,它可以引起中心峰的出现。这是一种早期的中心峰理论。在这个理论中,在系统的记忆函数含有一个慢弛豫分量时,则产生了与频率有关的阻尼,而总有中心峰出现。这一理论没有阐明中心峰出现的物理实质。实际上,中心峰应与相变点附近的涨落有关。
运动畴壁理论是一种内禀机制的理论。基于分子动力学的计算结果表明,在临界温度以上的一定温度范围内,晶体内形成一些短程有序的集团或畴,相邻的集团中原子位移方向相反,中间以一畴壁分开。由于畴壁的存在,原子有两种运动方式,一种是在准平衡位置附近振动,对应于软模。另一种是原子在两集团之间跳动,这是一个慢过程,导致中心峰出现。这种计算给出了清晰的物理图像,和一种可能的中心峰机制。中心峰的内禀机制还值得进一步探讨。
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 楼主| 发表于 2016-6-11 09:35:30 | 显示全部楼层

价电子的有效质量

蜂后和蚁后都有数以万计的后代,但是蜂群和蚁群都非常和谐。蜂后和蚁后的地位在固体物理中被称为价电子。人们在1973年发现了重电子金属,其价电子的有效质量可以达到普通金属中的上千倍,至今理论界仍对如此重的有效质量众说纷纭。看来我们的量子力学解释有望破解这个谜。这就像蜂后和蚁后会与所有的成员配对,显得有效质量极大一样。这样配对后的电子有更多的局域性,偏离了扩展态金属的定义。这类似于波粒二象性,扩展态有更多波动性,而局域态有更多粒子性,而我们的粒子皆生命的观点侧重于粒子,这是目前量子力学里遗漏的。
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