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楼主: henryharry2

[建议] 凝聚态物理2

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 楼主| 发表于 2016-8-15 05:04:41 | 显示全部楼层

质量

是什么原因使得这些质量成了非零的,又是什么原因使得它们如此的不相同?这种作用的机制在标准模型里,至少部分明白了。这与一种(或几种)新的玻色子的存在有关。至少有一个这种类型的玻色子在现有的能量下可以观察到,或者不久将会在CERN 的加速器上可以观察到。这种玻色子称为希格斯玻色子(Higgs boson),也简称为希格斯子(Higgson)。这个玻色子不仅仅只是爱丁堡的希格斯(Peter Higgs)具体讨论过,而且被几位其他粒子物理学家用不同的方法讨论过,其中包括吉玻(Thomas Kibble)、布劳特(Robert Brout)、恩格勒特(Francois Englert)。另外,在更早一些的时候,我的朋友安德森(Philip Anderson)曾概略地提到过它。安德森是一位凝聚态方面的理论物理学家,现任圣菲研究院科学委员会的副主席;他因为在凝聚态方面的工作获得过诺贝尔物理学奖,但他关于希格斯玻色子一般性思想的预言,却没得到基本粒子物理学家们的广泛承认。我不免私下起了疑心,如果他的贡献得到更普遍的承认,他或许就不会在公众面前反对建造新的粒子加速器。他强烈地反对为寻找安德森-希格斯或者希格斯-安德森玻色子(至少部分为此)而建造新的加速器,这里有什么其他方法吗?
为了公平起见,我建议“希格斯子”保持不变,但应采用“安德森-希格斯”表示打破零质量近似对称和造成标准模型中各种不同质量非零粒子的机制。安德森- 希格斯机制是一种更普遍的自发对称破缺(spontaneous symmetry breaking)的特殊情形。
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 楼主| 发表于 2016-8-19 13:47:36 | 显示全部楼层

经验规律

在过渡元素、合金及化合物范围内,多数材料能较好地符合三、五、七经验规律。当然,作为经验规律,例外是难免的。还应指出,非晶态超导材料不符合这个经验规律。过渡元素的内聚力比较强,双重几何与单重几何的可以解释三、五、七经验规律,但是这种对偶性和能带有关,非晶态超导材料不符合这个经验规律是因为非晶态材料没有能带的结果。
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 楼主| 发表于 2016-8-21 04:52:29 | 显示全部楼层

一个未解之谜

铜氧化物高温超导体的微观机理是凝聚态物理学中重要的一个未解之谜。尽管目前学术界还没有共识,人们通常认为铜氧化物中的高温超导电性是由于在反铁磁电荷转移型绝缘体中掺杂了适量载流子而产生的。因此,理解从电荷转移型绝缘体母体到超导态的电子结构演变是理解高温超导机理的重要环节。然而,在这些所谓的欠掺杂材料中通常存在电子结构的空间不均匀性,以及赝能隙态、电荷有序态等与超导态的相互纠缠,使得对其电子结构的理解困难重重。扫描隧道显微镜由于能够在原子尺度探测局域电子态密度和电荷有序态,成为研究这些问题的理想手段,但是测量靠近母体的绝缘性材料在技术上具有很高的挑战性。
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 楼主| 发表于 2016-8-21 05:25:42 | 显示全部楼层

正则变换

我认为,铜氧化物高温超导体的机理可能是双重对偶变换。电荷转移→反铁磁态→爱因斯坦→牛顿的对偶变换可以将反铁磁态变换成赝能隙态,这可以解释几个主要的实验结果。超导转变温度较高是因为直接利用的是超交换能,而掺杂自然界最重的元素可以提高超导转变温度,是爱因斯坦项的特点,爱因斯坦项与质心有关。不过,赝能隙态遵从的是牛顿-庞加莱统计,掺杂使得样品逐渐从牛顿-庞加莱统计过渡到玻色-爱因斯坦统计而实现超导。事实上,电荷转移→反铁磁态→爱因斯坦→牛顿的对偶变换在局部和Bogoliubov正则变换是同构的,只不过Bogoliubov变换中粒子数是不守恒的,而双重对偶变换中粒子数是守恒的。所以转变观念应该从原子核物理开始,用BCS理论解释原子核的对关联有很多的弊病,而用粒子数守恒解释对关联就很简单,因此原子核中的对关联产生的实际上是赝能隙。
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 楼主| 发表于 2016-8-25 05:43:51 | 显示全部楼层

Bogoliubov-Valatin变换

哈密顿量H的对角化可用一个推广的Bogoliubov-Valatin变换来完成。当ω=0时,它就是BCS方法中的粒子-准粒子变换,即特殊的Bogoliubov-Valatin变换。当加进了双重对偶变换:极矢量→轴矢量→爱因斯坦→牛顿后,修改后BCS理论和高温超导实际上并不矛盾。因为反铁磁态→爱因斯坦的对偶变换实际上就是南部阳一郎所说的Bogoliubov-Valatin变换与γ5不变性之间的对偶性,只不过变换后遵循的是牛顿-庞加莱统计,不是直接超导的。从铜氧化物超导体中赝能隙和能隙之间的关系可以看出这一点。
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 楼主| 发表于 2016-8-26 04:29:07 | 显示全部楼层

涨落放大

A. Bohr把双满壳层核铅208的基态看成“对振动”的零点振动态(或声子真空态),而铅206及铅210的基态则分别看成两类“对振动”的一声子态。但我认为,原子核中的核子不是通过核子-声子相互作用配对的,而是与铜氧化物高温超导体及铁基超导体类似,是通过自旋涨落配对的。假设极端短程力是δ-力。原子核具有不可压缩性,全部核子显然不会集中在一个点上。但是有了牛顿-庞加莱统计后,我们可以认为全部核子围绕质心凝聚了,原子核中显然是有一个质心的。
引力论中有一个牛顿定理:地球的引力可以认为是它的质心产生的,这里也有一个相似的牛顿定理。大部分人认为铜氧化物超导体中是自旋涨落导致配对的。但是偶极-偶极相互作用的能量太小,必须有某种放大机制,经过:反铁磁态→爱因斯坦的对偶变换后,牛顿-庞加莱统计可以起到将涨落放大的作用,对偶变换会将反铁磁的超交换能转换成内压力场。
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 楼主| 发表于 2016-8-26 04:50:28 | 显示全部楼层

通过涨落达到有序

这和黏菌的凝聚很相似,平时黏菌是一种单细胞生物,但某些时候它们会突然凝聚成一个多细胞生物。通过对诸如此类的现象二十年的研究,普里高津创立了普适的自组织理论及耗散结构论——远离平衡态的开放系统中,微小的涨落将被放大,会使由大量的实体所组成的系统相互作用,走向一个全局的结构。牛顿-庞加莱统计将反铁磁涨落放大了,宏观的相干凝聚体主宰了系统。这里基本上符合普里高津“通过涨落达到有序”的观点。
但是普里高津忽略了第二点。微观的量子统计可以解决Gibbs佯谬,动态重正化也可以解决Gibbs佯谬,动态重正化后的系统是宏观量子化的,未必是导致熵大量增加的耗散系统,而是像超导和超流一样的非耗散系统。显然赝能隙态就是一个非耗散系统,Emery等人称之为“预超导系统”。
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 楼主| 发表于 2016-8-27 04:42:43 | 显示全部楼层

自旋涨落

铜氧化合物高温超导体的机理问题是凝聚态物理中最具挑战性的问题之一,对它的理解和认识将导致超导理论乃至固体物理的重大突破。众所周知,超导态是电子系统通过电子配对而凝聚成的一个低能态。在通常的BCS超导图像中,电子配对和凝聚同时发生。超导态被一个配对能隙所保护,只有热涨落足以破坏此能隙时,超导就被破坏。超导态和非超导态之间的能量差被称作超导凝聚能。在超导态加磁场,库泊对会被拆散从而超导体失去超导性。
在铜氧化物高温超导体中,电子如何配对和凝聚仍然是个迷。在众多的高温超导体中,人们发现一旦进入超导态,在自旋涨落谱上的某个能量会有一个集体激发,形成一个特定能量的共振峰。有初步的试验表明,这个共振峰与超导态中的超导电子数有关系。样品进入正常态后,此共振峰随即消失。研究此共振峰与超导的关系是目前高温超导机理研究的关键所在。
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 楼主| 发表于 2016-8-29 04:35:11 | 显示全部楼层

BCS-BEC渡越

超导体和超流体都是对U(1)对称性破缺相,而规范对称性不是对称性也没有破缺一说。从Landau对称性破缺相来说,BCS和BEC都是一样的U(1)破缺到Z₂的相,拥有非对角长程序。那么唯象方面也是都用GL理论,GP方程描述宏观波函数(序参量)。因为它们本质是都是BEC凝聚态。
BEC-BCS crossover 说明的是超导体和超流体里面的bose condensate不同的形成形式的过渡区:从集体合作松散高度重叠的Cooper对到bosonic molecules。
这是因为我们已经了解一对对独立的Cooper对并不能形成BEC凝聚,因为它们根本不满足玻色对易规则,这也就是说如果形式上强制构造Cooper 对,若多体波函数当作fermion对凝聚态,那显然它并不是玻色凝聚态。
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 楼主| 发表于 2016-8-30 05:52:38 | 显示全部楼层

零电阻现象

在BCS图像中如何解释零电阻现象呢?正常金属的电阻是由于电子被格波散射引起的。在超导体中,BCS超导图像中很重要的一点就是库珀对总动量的一致性。在没有电流时对态的总动量为零。可以设想另一种情况,每一库珀对所涉及的对态是(P/2↑ ,P/2↓),相当于动量空间的整个动量分布整体移动了P/2。这时对态具有的总动量为P,而且对所有的对态都一样。如果有一个观察者以速度P/2m运动,那么这个观察者所看到的情况和总动量为零的情况是一样的。现在只是各电子整体在动,电流是由动量为P的电子对传输的(这就是二流体模型中超流电子传输电流)。这些形成了库珀对的电子不断散射,但在散射过程中总动量守恒,从而电流不变。这就是超导电流无阻的原因。再看正常金属中的情况,那里“各行其是”的正常电子犹如一盘散沙,晶格中正离子的热振动,消耗了电子运动能量。
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 楼主| 发表于 2016-8-30 06:11:53 | 显示全部楼层

持续电流

我认为,常规超导体中已经有牛顿-庞加莱凝聚发生了。这可以解决BCS理论遗留的一个问题——持续电流是如何维持的,假如凝聚体波函数移动的同时,它的质心也跟着移动,就可以产生持续电流。这是量子力学基础问题的一个翻版,你不考虑凝聚体是波的同时,也是个“粒子”吗?马梯亚斯的三、五、七经验规律表明在这些超导体中,牛顿-庞加莱凝聚和玻色凝聚是同时发生的。介观金属环中存在的持续电流表明,持续电流有时候甚至比玻色凝聚还要基本。尽管实验证据支持了牛顿-庞加莱凝聚的假设,但如何同时处理粒子数守恒和粒子数不守恒两套系统却是个复杂的问题。
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 楼主| 发表于 2016-8-31 05:21:16 | 显示全部楼层

某种原因

Anthony Leggett解决了A相频率移动的问题。在普通的高温核磁共振实验中,弱偶极-偶极相互作用的主要影响是加宽NMR线。氦3达到的最低温度时,这些弱相互作用是怎样共同合力提供一个与30高斯的内磁场相应的频率移动?Leggett引入了自发地破坏自旋轨道(SBSOS)的假设,借助求和法则,得到了与频率移动量级相当的结果。现在,我们考虑SBSOS是怎样将大的频率移动与具有l=1对的超流相联系起来。微小的核偶极矩间的弱相互作用能比1μK小许多,但是,由于某种原因,尽管存在大的热涨落,库珀对的存在仍然导致所有偶极矩的相干相加(宏观自旋近似),形成足够大的有效内场,产生可观测的频率移动。产生这个现象的条件是Cooper对必须是相关的,也就是,Cooper对固定在一起,使所有的核动量必须一起作用以提供必须的内磁场。通过这种方法,我们自洽地产生一个宏观的偶极相互作用。
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 楼主| 发表于 2016-8-31 05:49:03 | 显示全部楼层

某种原因

我认为,“某种原因”指的是牛顿-庞加莱凝聚。宏观自旋近似是牛顿-庞加莱凝聚的一个特征。“Cooper对固定在一起”指的是位置空间的凝聚,这也是牛顿-庞加莱凝聚的特征。
这一点在铜氧化物高温超导体中表现的尤为明显。很多人认为,铜氧化物高温超导体是通过自旋涨落配对的,可是这种偶极-偶极相互作用太弱,无法提供高的超导转变温度,必须有某种机制将涨落放大,很多实验也证实涨落确实被放大了。而在赝能隙区,连Cooper对是否存在都是个疑问,玻色凝聚更是无从谈起,剩下来的唯一可供选择的只有牛顿-庞加莱凝聚。
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 楼主| 发表于 2016-8-31 12:48:16 | 显示全部楼层

能隙节点

对于高温超导体,很多证据表明它是d波配对。主要的实验证据包括两类:一类是相位敏感的实验;另外一类实验通过研究低能激发的情况来研究高温超导体的配对性质。如果是d配对,它在(π, 0)处能隙最大,沿着Γ点到(π, π)有一个连线,在连线上能隙为零(line nodes)。所以如果观察和态密度相关的物理量,随着能量是一个幂指数的变化,而不象常规s波配对的超导体,是一个指数的变化。所以可以通过测量不同的物理量,来看它到底有没有节点。这类的实验有很多,比如扫描电子显微镜测量隧道谱、核磁共振实验、光电导、比热容、热导和拉曼实验等。当然核磁共振还可以提供一些额外的信息,比如通过观察奈特位移随温度的变化关系研究自旋的配对是单态的还是三重态的。
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 楼主| 发表于 2016-9-1 05:23:13 | 显示全部楼层

30周年

2016年是高温超导发现30周年,随着铁基超导的助力,人们对高温超导微观机理的建立越来越有信心,对超导材料的探索充满期待,对超导应用前景也充满乐观。铜基高温超导方面:在材料探索中,目前最高Tc还是由Hg-Ba-Ca-Cu-O体系保持,常压下135 K,高压下164 K,新结构体系的铜基超导材料近年来发现较少;在机理研究方面,很多新奇的量子态被发现,但与超导之间的关系存在很多争议,比如赝能隙、费米弧、小费米口袋、电荷序、棋盘序等等,统一的物理机制目前尚无定论;在应用研究方面,铜基超导的微波器件已经走向商业化和规模化,铜基超导电缆尚处于试验阶段,实验室用的高温超导磁体已经商业化。铁基高温超导方面:在材料探索中,新的铁基超导家族不断被发现,如2010发现的KFe2Se2、2012年发现的单层FeSe薄膜具有65 K以上的Tc、2014年发现的(Li1-xFex)OHFe1-ySe、2016发现的RbFuFe4As4和CaKFe4As4等等;在机理研究方面,目前铁基超导的配对对称性大多数倾向于各向同性的s波,可能会有符号变化或少量各向异性以及偶然的能隙节点出现,铁基超导中自旋涨落和铜基超导中一样强,且与超导电性存在密切关系,但具体机理尚不清楚,铁基超导是多能带多费米面体系,因此能带间散射和能带演化行为非常复杂,目前技术手段很难认识清楚;在应用方面,铁基超导因为大部分有毒,薄膜制备较为困难,弱电器件应用还处于探索阶段,铁基超导的线材已经达到了很高的电流密度,而且性能上较铜基超导更为优越,但实用化尚处于试验阶段。
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 楼主| 发表于 2016-9-1 05:32:16 | 显示全部楼层

铁基超导体

铁基超导体是继1986年发现的铜氧化合物高温超导体(1987年诺贝尔物理奖)之后于2008年被发现的一类新型高温超导材料,它的发现为高温超导电性的研究开辟了一个全新的研究方向,是目前物理学的一个研究热点。我国科学家在这个领域表现出色,整体研究水平处于国际领先行列。与铜氧化合物高温超导体的研究类似,铁基超导机理研究的最核心科学问题是电子如何形成库珀电子对。因此,确定电子配对的对称性(也就是库珀电子对的形状)具有极其重要的意义,但这个问题至今没有一个明确的结论。
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 楼主| 发表于 2016-9-1 05:39:06 | 显示全部楼层

共性

高温超导机理一直以来都是凝聚态物理中一个悬而未决重要难题。2008年发现的铁基高温超导体,作为一个独立于铜氧化物高温超导体以外的一类新高温超导体,为研究者提供了研究高温超导机理的新平台。两类超导体之间是否存在共性?还是它们完全是不一样的体系?这些共性或者特异性到底是如何影响超导电性的?这一系列问题很快引起了研究者的广泛兴趣。在过去对铜氧化合物超导体的研究过程中,存在于欠掺杂样品中的赝能隙一直是研究理解超导特性的核心课题之一。而对于其中的超导电性、反铁磁性和赝能隙之间的相互关系至今还存在着争议。因此,对具有相似相图的铁基超导体进行类似课题的研究就成为研究者的共同目标。
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 楼主| 发表于 2016-9-1 05:46:07 | 显示全部楼层

凝聚态

中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)极端条件实验室丁洪研究员,联合王楠林研究员、超导实验室戴鹏程研究员,南京大学闻海虎教授和日本东北大学高桥隆教授,利用角分辨光电子能谱技术,首次对空穴型欠掺杂铁基超导样品(Ba0.75K0.25Fe2As2)进行了一系列仔细而深入的研究,并取得了重要结果【Nature Communications 2, 392 (2011)】。
丁洪研究员所带领的团队发现,类似于最佳掺杂样品的依赖费米面的无节点的超导能隙同样存在于欠掺杂样品中,只是随着掺杂空穴的减少,能隙的大小也相应地变小。有趣的是,通过对不同掺杂量的欠掺杂样品结果的分析,他们发现在从欠掺杂到最佳掺杂的过渡中,能隙的大小和超导的转变温度成线性关系。超导配对强度(2Δ/kT)在不同费米面上不同,而不随掺杂量改变,是决定超导转变温度的核心要素。
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 楼主| 发表于 2016-9-1 05:49:57 | 显示全部楼层

反铁磁涨落

通过对能谱的进一步分析,丁洪研究员的团队发现,除了超导能隙之外,还有一个大小约为18 meV的赝能隙存在于内圈的空穴型费米面(α)和电子型费米面上,且这两个费米面之间存在反铁磁波矢相连的带间散射(antiferromagnetic interband scatterings)。其对应的准粒子峰在能谱上显示出明显的减弱。在没有带间散射的外圈空穴型费米面(β)上则不存在类似的赝能隙,准粒子峰也不存在明显减弱。值得注意的是,在欠掺杂铜氧超导体中的赝能隙也只存在于有反铁磁波矢相连的带间散射的反节点处,准粒子峰也存在明显的减弱;与此相反,在节点处既没有赝能隙,也没有准粒子峰的减弱。这种在两类超导体中存在的赝能隙二分性 (dichotomy)说明了反铁磁涨落有可能是形成赝能隙的决定性因素。
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 楼主| 发表于 2016-9-1 05:54:38 | 显示全部楼层

反铁磁涨落

值得一提的是,在存在赝能隙的费米面上,即显示反铁磁波矢相连的带间散射的费米面上,超导配对强度同样也很强(~7),而没有赝能隙的费米面上,超导配对强度很接近经典BCS值。这表明反铁磁涨落同样可能是超导配对的驱动力。这一结果与早先洪研究员对最佳掺杂空穴型铁基超导体(Ba0.6K0.4Fe2As2)超导能隙的三维性研究的结论一致【Nature Physics 7, 198 (2011) 】。空穴型费米面上的超导能隙沿着z方向有着显著的周期变化,而电子型费米面的能隙则基本不变。他们发现从近邻-次近邻理论出发,考虑层间和面间两类配对,从而推导出的s波能隙方程可以很好地解释所有观测到的超导能隙,证明此类超导体在z方向上不存在能隙节点,也表明短程的反铁磁涨落可能是导致超导电性的重要决定因素。
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