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[建议] 凝聚态物理2

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发表于 2016-7-22 07:31:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
研究凝聚态物质的原子之间的结构、电子态结构以及相关的各种物理性质。研究领域包括固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理(包括薄膜物理、表面与界面物理和高分子物理)、液体物理、微结构物理(包括介观物理与原子簇)、缺陷与相变物理、纳米材料和准晶等。
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 楼主| 发表于 2016-7-22 07:32:48 | 显示全部楼层

相图

我们看空穴掺杂的铜氧化物超导体的相图,在不掺杂的母体及低载流子掺杂时,它是一个三维反铁磁有序绝缘体,随着掺杂的增大它慢慢具有导电性,然后在一个比较大的区域里面,出现一个叫赝能隙(pseudo-gap)的区域,即一个在正常态出现能隙的区域。随着载流子浓度继续增加它就变成一个超导体,然后继续增加载流子,就会基本上变成费米液体正常金属的状态。那为什么随着掺杂浓度的变化,它的性质有如此大的变化?由一个强关联三维反铁磁有序体系,最后变成一个正常金属的费米液体态?如何来解释这种现象对研究高温超导体的相图非常重要。
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 楼主| 发表于 2016-7-22 07:43:42 | 显示全部楼层

赝能隙

对赝能隙的起源有两种不同的观点。第一种观点认为赝能隙是超导的预配对形成的。就是在高温下电子首先配对形成库珀对,于是打开一个能隙,这个能隙就是赝能隙。这实际上把超导的过程分成两步:第一步先配对,因为它的相位涨落大,所以库珀对不能相干,而在低温下才开始相干。另一种图像认为赝能隙和超导配对是没有关系的,而是另外一种机制形成的,到底是什么机制还不是很清楚。
第一种图像主要得到STM实验以及能斯特效应实验支持。STM实验中,欠掺杂的Bi2201样品的实验结果,一直延伸到很高温度都能看到能隙特征,它是一个缓慢的过渡过程。这个实验似乎暗示了超导能隙和正常态的能隙是一样的。Gomes等用STM测量的超导能隙可以延伸到非常高的温度,一直到160K,这远远超过了超导转变温度,这也说明两个能隙可能是同一个能隙。不能有超导涨落解释。
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 楼主| 发表于 2016-7-22 07:51:08 | 显示全部楼层

熵的丢失

但是,有更多的实验表明超导能隙和赝能隙是不同的两个能隙。Tallon和Loram写了一篇很好的文章,分析了多种不同的实验手段:包括比热容、NMR的奈特位移和自旋-晶格弛豫率、面内电阻、面间电阻、拉曼散射等等。他们得到的能隙的结果大概是这样的:不同的体系,不同的实验手段得到的赝能隙随掺杂的关系可以标度到一条线上,其能量尺度可以一直延伸到超交换能的大小。这强烈暗示赝能隙的起源可能和磁关联有关。
如果研究体系的熵S的变化规律可以看到在过掺杂区和普通超导体一样,没有反常。但是在欠掺杂区熵可以一直延伸到负值。熵是测量热激发的态的数量,熵出现负值说明正常态有一些态被丢失了,即在正常态里出现了一个赝能隙。S/T反映零温到几个kT的能量范围内的平均态密度。S/T随温度的变化关系也清楚表明正常态赝能隙的存在。欠掺杂区比热容的大幅降低正是由于正常态熵的丢失,存在赝能隙的结果。
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 楼主| 发表于 2016-7-23 05:05:25 | 显示全部楼层

赝能隙

欠掺杂和最佳掺杂的高温超导体在正常态出现赝能隙。赝能隙开始出现的温度一般由T*标记。在角分辨光电子能谱(ARPES)中,这一赝能隙表现为在布里渊区边界(π, 0)点附近部分态密度的丢失,从而使得观察的样品的费米面表现为一些不连续的费米弧。赝能隙的本质以及它和高温超导的关系一直是人们争论的一个焦点,而这一问题的解决也被普遍认为对揭示高温超导的起源将起关键作用。
我认为,高温超导体可能是轴矢量配对的,配对后的电子的确不是Cooper对,局域性较强,但随着空穴掺杂的增加可以逐渐转化成离域的Cooper对。我称之为赝Cooper对。仅听名称,也知道我们很可能是对的。物理学家们最早将轴矢量称为赝矢量,后来命名了欠掺杂和最佳掺杂的高温超导体中的赝能隙(如果是轴矢量配对的话,赝能隙实际上是轴矢量的能隙),因此,从赝矢量、赝能隙到赝Cooper对是一个自然的演进过程。
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 楼主| 发表于 2016-7-23 05:07:47 | 显示全部楼层

原子核

做一个极矢量到轴矢量的变换(或者说双重几何到单重几何的变换),可以将反铁磁的电子对变换为赝Cooper对。这是因为轴矢量是自对偶的,可以用黎曼球面和投影Hilbert空间表示,已经悄悄地将反对称的费米统计变换成一种对称统计,可能是牛顿-庞加莱统计。这就引起布里渊区边界(π, 0)点附近部分态密度的丢失,这部分电子不会丢失,而是转化成赝Cooper对了。我认为,可能原子核中的核子对也是赝Cooper对,属于局域配对,原子核中的能隙应该是赝能隙。
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 楼主| 发表于 2016-7-24 06:04:43 | 显示全部楼层

理论疑问

我们知道,将一超导圆环放在磁场中并冷却到临界温度以下,突然撤去磁场,则在超导环中将产生感生超导电流。实验发现,此电流可以持续几年也未发现有明显变化。根据BCS电子配对理论,超导圆环内的电子全部配对成功,那么这两束电子是如何形成超导电流的?它们又是如何保证几年都不发生碰撞?目前还有待证明。
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 楼主| 发表于 2016-7-25 04:54:38 | 显示全部楼层

极矢量和轴矢量的对偶性

动态重正化、极矢量与轴矢量的对偶性可以帮助BCS理论摆脱这种困境。轴矢量是自对偶的(也就是自共轭的),动态重正化后类似于一维金属,相互作用电子气的基态不能被认为是一个费米液体,在本质上其低能激发是一种集体行为。这种激发更像声子或等离子体的情况,是多体的一种集体运动,而不是与其近邻无关的孤立电子的运动。这种集体性质会给出一系列效应,例如在低能时隧穿进入1维金属是被禁止的,因为隧道电子必须激发这种集体模式。
动态重正化可以生成持续电流。动态重正化生成的结构与1维金属相似,但它是个与规范对称性相似的内禀对称性。尽管如此,动态重正化有可观测效应,从极矢量和轴矢量的对偶性可以推导出马梯亚斯的3、5、7经验规律,A-15型超导体是有个一维的原子链的,但马梯亚斯的3、5、7经验规律不仅对A-15型超导体成立,对其他结构的超导体也成立。可以说,马梯亚斯的3、5、7经验规律是动态重正化生成内禀结构的有力支持。
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 楼主| 发表于 2016-7-25 05:31:39 | 显示全部楼层

五花八门

尽管动态重正化生成的是内禀结构,但和Peierls相变类似,会使费米面失稳,打开一个能隙。这么说,轴矢量的能隙其实早就存在了,只不过它一直掩藏在超导能隙里,不为人注意罢了。但是今天,铜氧化物超导体把赝能隙暴露了出来,人们不得不重视它了。我认为,轴矢量的能隙可能是普遍存在的。二硼化镁的那个能量较大的能隙可能就是轴矢量的能隙,动态重正化对维度很敏感,而二硼化镁是二维金属。铁基超导体是否存在赝能隙一直是争论的焦点;我认为,和A-15型超导化合物一样,铁基超导体的轴矢量能隙是隐藏在超导能隙里的,这从铁基超导体的配对机制上可以看出来,铁基超导体不完全是实空间配对,也不完全是k空间配对。从道理上讲,众多的新型超导体不应该有五花八门的超导机制,必有共同之处。
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 楼主| 发表于 2016-7-25 05:58:16 | 显示全部楼层

集体激发

A-15型超导体铌三锡符合马梯亚斯的3、5、7经验规律,在铌三锡的横声模与温度的关系上,低温时出现的折线可以归之于Kohn异常,这是强的电子-声子交互作用的结果。铌三锡在约45K时有一个马氏体相变,在靠近46K时,中心峰成为主要的,而声子只能在“肩”上观察到。有趣的是,有些A-15型超导化合物的有效质量超过了1百,假如将条件放宽,它们已经可以归为重电子金属一类;而A-15型化合物中的电子比热异常大的原因,我们是清楚的,那是由于动态重正化导致朗道的费米液体理论失效,体系已经没有单粒子激发,只有集体激发。
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 楼主| 发表于 2016-7-26 05:49:30 | 显示全部楼层

陶瓷

一些陶瓷超导体,诸如YBCO,当温度降到转变温度以上某一点时,尽管没有像超导电性那样出现电阻为零的现象,但它们的电阻的异常下降似乎指出了,对几种可能的超导体来说,它们的载流子特性的出现有着共同的原因。研究结果已经指出,当温度大约小于0.1德拜温度时,晶格振动不再发生剧烈的变化,因此,输运现象中的奇异特性不是由晶格振动造成的。实际上,输运现象中所有的特异性都是与固体中的费米面特性和能带结构密切相关的,可以用临界温度附近的电子集体运动的变化解释这种突变。
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 楼主| 发表于 2016-7-27 05:28:48 | 显示全部楼层

超导微观模型

自从发现高温超导体,Anderson就注意到二维铜氧面是引起高超导转变温度的主要原因。Anderson详细分析了二维强关联的单带Hubbard体系,认为由于库仑排斥项U的存在,能带分裂成上、下Hubbard带。在空穴掺杂的情形,上Hubbard带的存在对下Hubbard带费米面附近电子结构的影响导致费米面重正化因子Z=0,表明费米液体理论失效。Anderson对费米液体理论的失效进行了定性分析,大胆地认为铜氧化物超导体中电子体系的行为应当由一个自旋子和空穴子的Luttinger液体理论来描述。并建立了Anderson Luttinger液体的超导微观模型。对铜氧化物超导体的正常态及超导态的各种反常特性进行了定性的讨论,预言了一些与实验吻合的结果。比如YBCO体系中Hall角与温度的线性关系。他曾概括地说明,他的理论可以解释十个重要的实验结果,并宣称他的Luttinger液体理论就是高温超导电性的完备的微观理论。同时他也宣称,他的理论有待实验技术分辨本领改进后的进一步证实。特别是自旋电荷分离是否存在,实验上检验是至关重要的。有人讨论了这个问题。
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 楼主| 发表于 2016-7-27 13:51:49 | 显示全部楼层

对称性

除A-15结构外,实践表明,具有氯化钠结构的一些化合物也常具有较高的转变温度。铜氧化物是二维的,不管怎样,动态重正化与Luttinger液体在局部是同构的,Anderson理论的成功也意味着我们理论的成功。但是动态重正化除了能解释Anderson理论的一些问题外,还能够解释很多早就出现但尚未解决的超导问题。例如,可以解释为何A-15型结构和氯化钠结构有利于提高超导转变温度。动态重正化导致的是一种动力学对称性。
对于氢原子而言,它的动力学对称性群是SO(4),存在两个极矢量,一个是电荷,另一个是Runge-Lenz矢量。因此,极矢量到轴矢量的对偶变换实际上是两种对称性的直积。极矢量到轴矢量的对偶变换也可以将电荷转移的能量变换过来。铜氧化物超导体的母体就是电荷转移型绝缘体。
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 楼主| 发表于 2016-7-28 07:40:28 | 显示全部楼层

长程力

安德森和其他人精炼了巴丁的论点。Anderson证明了纵向型集体模激发恢复了规范不变性。如果把长程库仑力包括在内,则纵向激发类似于高频等离子体,并且没有填满零点能附近的能隙。Anderson的主张可以重新表述为:(1) 规范不变性要求无质量集体模的存在;以及(2) 长程力把这些无质量模再结合成有质量模。借用到量子场论中,第(1)点对应于南部-Goldstone模,而第(2)点对应于Higgs机制。
动态重正化与Anderson的主张相似。只不过将短程相互作用凝聚成长程有序的不是长程库仑力,而是动态重正化,这是一种赝力,正如玻色子之间会有赝力存在一样。固体和液体中一般不会存在长程库仑力,库仑力一般都被屏蔽了,但赝力可以存在。可以从牛顿-庞加莱凝聚和玻色凝聚的关系看出这一点,如果只存在赝力,则是牛顿-庞加莱凝聚;如果存在一个势,则可能是位置空间的玻色凝聚。

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 楼主| 发表于 2016-7-31 07:52:07 | 显示全部楼层

高温超导体

对于高温超导体,包括铜氧化物超导体和铁基超导体,是什么相互作用导致了电子的配对,这个问题目前还没有达成共识。一般认为反铁磁涨落造成电子配对的可能性大些。处理电子-声子相互作用要比处理反铁磁涨落简单得多。原因是电子-声子相互作用是一种弱相互作用,可作为微扰处理,而且Migdal定理成立,可忽略相互作用的顶角修正,其物理特性可通过求解Eliashberg方程得到。但对反铁磁涨落导致的超导系统,相互作用很强,目前还没有一个和Eliashberg理论相对应的理论描述。
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 楼主| 发表于 2016-8-4 07:39:53 | 显示全部楼层

新特点

就涉及的基本思想而论,Goldstone关于自发对称性破缺的工作和南部的工作没有什么不同。不过Goldstone采用标量玻色子作为基本粒子,并在玻色子系统中探索自发对称性破缺的条件和结果;而在南部的框架里,标量玻色子是导出来的,因为这些是复合模式,所以仅仅表现为费米子系统对称性破缺的结果。Goldstone模型的一个优点是可重正化性。这使其在找到非线性系统的反对称解的存在条件方面容易得多,然而,比这更有趣的是通过在自发对称性破缺研究中引人基本标量系统所产生的新特点。
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 楼主| 发表于 2016-8-7 05:52:18 | 显示全部楼层

告密

诺贝尔物理学奖得主菲利普·安德森在致《今日物理》杂志的一封信中,表达了对于AdS/CFT对偶的凝聚态应用的近似忧虑,其中写道: 在给《今日物理》杂志的一封信中,诺贝尔物理学奖获得者菲利普·安德森写道:
作为凝聚态理论中的AdS/CFT手法有一个非常普遍的问题,我们可以指向那三个告密的英文字母“CFT”──共形场论。凝聚态问题一般来说既不是相对论性,也不是共形的。在临近量子临界点时,时间和空间可能会有缩放,但即使如此我们还是有更熟悉的坐标系,一般是晶格。有证据显示奇异金属左侧存在其他线性T相,至于是什么就欢迎猜测了,但在这种情况凝聚态问题还是由实验事实所确定的。
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 楼主| 发表于 2016-8-9 04:57:36 | 显示全部楼层

类比

1994年,Seiberg和Witten证明了磁单极子的真空凝聚可以给出夸克禁闭效应。在N=2的超对称规范理论中,磁单极的性质随着理论中参数的变化,相互作用强度越来越大,磁单极子将转换成质量为0的粒子;也就是说,磁单极子的质量随真空态变化;在某些真空态下,会变成无质量的,从而可以产生磁单极子的凝聚。在电磁场的对偶理论中电荷与磁单极是相互对偶的;夸克禁闭可类比通常的超导现象,这时两个磁单极子可以结合成为一对给出质量的规范场而形成能隙,在类超导理论中,这就导致电通量禁闭;电通量是由带电夸克给出的,电通量的禁闭给出夸克禁闭。
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 楼主| 发表于 2016-8-13 06:34:40 | 显示全部楼层

二硼化镁

二硼化镁同高温铜氧化物一样具有层状结构,而且电子在B层的富集使得该层对超导电性起关键作用,这和高温铜氧化物中的铜-氧层极为类似。因此,单从结构上来说,二硼化镁与高温铜氧化物更为类似。研究结果证实,在二硼化镁超导体中存在两个能隙,且能隙比较宽,大小分别是5.5~ 8.2meV和1~3.5meV,因此它应该具有比金属超导体更快的反应速度。
理论计算或实验研究都证实二硼化镁的能带是由s和p轨道组成的简单结构,镁层将其全部价电子贡献给B层而被完全离子化,二硼化镁的所有价电子聚集在B层及层间形成一个二维的σ带和三维的π带,由于电荷由σ带向π带的转移而使得σ带产生大量空穴并呈现空穴型。二维的σ带与B原子的面内振动耦合而形成电子配对。
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 楼主| 发表于 2016-8-13 07:01:13 | 显示全部楼层

二硼化镁

尽管理论上作了很多设想,但问题是迄今为止,超导物理学家们还没有实现对超导机理的理解。超导科技发展至今,仍然未能形成一个统一的超导理论体系。不过我发现,二硼化镁和铜氧化物超导体和Ginzburg设想的机制很像。当然,一般来说,激子是很不稳定的,电子和空穴会很快相互湮灭,事实上这正是LED的工作原理。不过看起来,二硼化镁和铜氧化物超导体在激子稳定性这方面做得很好。
有了负能态的海,就会产生正、负能态配对。人们通过Hall效应的研究发现,二硼化镁超导体中的载流子为空穴,而且Hall系数在超导转变温度附近出现正、负号变换的现象,这些现象都与高温铜氧化物超导体类似。
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