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楼主: henryharry2

[建议] 凝聚态物理2

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 楼主| 发表于 2016-9-18 08:00:59 | 显示全部楼层

涨落

从动力学机制上,相变可以分为匀相转变和非匀相转变。前者没有明确的相界,相变是在整体中均匀进行,其相变过程中的涨落程度很小而空间范围很大。二级相变总是按匀相转变方式进行的。也有一些一级相变是按匀相转变方式进行的,例如失稳分解,即在原始均匀固溶体中形成长波长周期性变化的分解过程。更常见的则是通过新相的成核生长来实现,相变中母相与新相共存。其相变过程中,涨落的程度很大而空间范围很小。在非匀相转变过程中,如果成核生长不涉及原子扩散,就被称为无扩散相变,反之为有扩散相变。
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 楼主| 发表于 2016-9-19 13:18:22 | 显示全部楼层

金属绝缘体相变

由电子运动局域化引起的金属绝缘体相变,一直是凝聚态物理研究中的重要问题,典型的金属绝缘体相变可以分为Anderson转变和Mott转变,以凝聚态物理领域两位泰斗级的物理学家来分别命名。其中Anderson局域化是由无序引起的,而Mott局域化是由电子间的库仑排斥作用所引起的。虽然Mott转变的概念早在近半个世纪前就被提出,但我们对实际材料中的Mott转变,特别是具有轨道简并度的系统中Mott转变的性质,其实一直知之甚少。最近,在钌氧化物和钒氧化物的实验研究中,发现有可能存在着一类特殊的Mott转变。在这些典型的多轨道系统中,当发生Mott转变后,只有其中一个3d轨道上的电子被局域化,而其他几个3d轨道上的电子依然保持巡游状态。
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 楼主| 发表于 2016-9-20 06:00:20 | 显示全部楼层

δ-函数

目前的量子力学是用δ-函数来处理连续区的,δ-函数本来就是数学上的一个怪胎;从物理上讲,δ-函数代表白噪声,什么也不是,用费曼的话说,纯粹就是一种胡搅蛮缠的伎俩。好在我们可以用“薛定锷蛋”理论处理束缚态和连续态共存的情况。过渡元素就是属于这种情况,d电子一方面具有局域性,另一方面也具有巡游性。超导元素主要分布在过渡元素区,除了过渡元素有较强的内聚能外,恐怕也离不开牛顿-庞加莱统计的贡献。事实证明也是如此,因为从牛顿-庞加莱统计与玻色-爱因斯坦统计的对偶性可以推导出马梯亚斯的3、5、7规律。
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 楼主| 发表于 2016-9-20 06:05:19 | 显示全部楼层

超导态

超导体的物理特征是什么?我想在现有的物理基础上,专家和物理教授谁都无法回答。为什么会出现超导体?1911年,荷兰物理学家卡曼林· 昂尼斯意外的发现,将汞冷却到零下40度时,汞的电阻值逐渐减少。当温度降到4.15k(零下268.977度)时,汞的电阻不再缓慢减少,而是突然一下子降到了零。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,卡曼林将之称为超导态,并获得了1913年诺贝尔奖,1933年,荷兰的麦斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个性质,当金属处在超导状态时,超导体内部的磁感应强度为零,并把原来存在于体内的磁场排挤出去,超导体内部磁场为零。
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 楼主| 发表于 2016-9-20 06:07:48 | 显示全部楼层

一筹莫展

物理学家都想解释超导体现象的成因,物理学家就应该先解释电阻的成因,今天的物理学家是这样解释电阻的,在金属内部即存在着原子和带正电子的正离子,又存在着自由电子。在外界电力的作用下,当自由电子在导体内部间运动时就会与有规则排列的原子和正离子发生磁碰撞,从而阻碍了电子的定向运动。导体这种阻碍电流通过的性质,就叫导体的电阻。这就是现在物理解释电阻的微观机理理论。
早在1950年,英国物理学家弗罗里希就预言,超导体的临界温度与同位素的质量之间存在一定关系。所谓临界温度,就是导体从正常导电状态转变为超导电状态的转变温度。在这种转变发生时,同位素自由的电子分布状态是相同的,而原子原子质量是不同的。超导体的出现会不会是由于电子和晶格原子相互作用产生的呢?弗罗里希对于自己提出的这个问题一筹莫展。

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 楼主| 发表于 2016-9-20 06:10:36 | 显示全部楼层

BCS理论

1955年由美国伊利诺斯大学物理学教授约翰·巴丁以及罗伯特·施里弗、利昂·库珀组成的一个研究小组,对超导体现象的微观机理进行深入探讨。经过几年的通力合作,他们终于完成了一套完整的超导微观理论,并由此荣获1972年诺贝尔物理学奖,这一理论以他们姓氏的头一个字母命名,称为“BCS”理论。BCS理论认为,当两个电子的作用为吸引力时,就形成了相互束缚的电子对。两个电子结成电子对后,其中一个即使受到晶格振动或杂质碰撞而受到阻碍,另一个也会起到调节作用,使电子通路不受影响,这就是产生超导现象的原因所在。某一个电子穿过晶格之后,周围的离子受其影响被聚集到一起,它们就会吸引另外的电子,但是电子并没被吸住,而是在离子的间隙中溜掉,临近的电子溜掉后,离子又去吸引新靠近的电子,如此不断吸引、溜走,就形成了电子的流动。
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 楼主| 发表于 2016-9-20 13:40:57 | 显示全部楼层

修正或更改

BCS理论并非完美无缺,与实验结果也有不少偏差,于是科学家又对它进行修正和补充。巴丁教授在参与提出BCS理论后,又与其它人合作提出来激子超导模型。该模型以电子-激子相互作用为基础,认为进入半导体的金属电子会通过激子来产生吸引力作用而配对,从而产生超导现象。1968年美国科学家麦克米兰指出,BCS 理论实际上是一种电子-声子弱耦合理论,而他提出强耦合理论。根据该理论,超导与声子频率有关。声子软化到一定程度后,材料就会发生结构想变。他估计,以电子-声子相互作用为机制的超导体,其临界温度不可能超过40K。进入20世界90年代科学家把超导体材料的临界温度提高到100K以上,超导体的临界温度超过40K,那么就势必要对原有的理论进行修正或更改。
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 楼主| 发表于 2016-9-22 05:22:58 | 显示全部楼层

干涉

20世纪20年代中,贝尔电话公司的两个实验物理学家戴维逊和革末研究电子束如何从镍反射回来。他们的实验证明了电子也表现出干涉现象,那正是波的标志。在屏幕上的黑点是电子在那里不知怎么“消失了”,就像水波的峰与谷在那儿相遇。即使把电子束减弱,例如,弱到10秒钟射出一个,那一个个电子仍然会形成明暗相间的条带。每一个个电子都像光子那样,以某种方式相 互“干涉”——说它们干涉,是因为它们在一定时间内重新形成了与波相联系的干涉图样。我们不可避免地会得到这样的结论: 电子除了我们熟悉的粒子形态而外,还被赋予了波的特征。
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 楼主| 发表于 2016-9-24 05:10:01 | 显示全部楼层

准周期表

这种转变的另一个例子摘自于Smith和Kmetko的工作,这是周期表中所有的过渡元素和镧系元素的一个准周期表,在垂直方向以局域半径来排序,水平方向进行调整以使满的和空的d、f子壳层相符合。Smith和Kmetko发现一条很宽的穿过这个表的对角线把具有局域电子属性的金属(磁体)和具有巡游电子属性的金属(导体)分开。分界线即为Mott相变的点,这条曲线上的金属对压力作用很敏感。(铈在约1千巴就有一个从α到γ相的同相过渡,铀能在压力下变成超导体等。) 它们中有许多都是良好的催化剂或氢存储原料。可以相信这些属性是相互关联的。对原子物理学家来说,Smith和Kmetko的周期表也是有意义的:扫过周期表的这个宽带是和巨共振出现有关的,即与双势阱的内阱特性有关。许多这些特性似乎依赖于f和d电子的临界局域性。
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 楼主| 发表于 2016-9-28 07:05:59 | 显示全部楼层

窄能带体系

但是对一些过渡金属化合物(如:MnO)特性的解释往往是失败的。这是因为在窄能带体系中电子之间的关联作用是十分重要的,电子从一个局域原子轨道运动到另一个原子轨道上时,必须要考虑到后一轨道是否被其他电子占据,如果已经被占据,则应当计入同一原子周围两个电子之间的库仑作用,而这一作用将使能带状态发生显著的变化。为此,Hubbard为简化问题引入了一个哈密顿量用来描述这方面的问题。
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 楼主| 发表于 2016-9-28 07:07:19 | 显示全部楼层

Mott绝缘体

这个哈密顿量在导出的过程中为了简化只取了单中心积分项,但是它保留了相互作用的性质,其中U就代表了Hubbard Model所计入的关联相反自旋电子之间的排斥势。粗略地看,排斥势U将会造成原子能级分裂成E和E+U,原来的单能带便分裂为两个子能带,晶体的性质就将取决与这两个子带之间的重叠关系了,这时便能合理解释能带理论失效的Mott绝缘体,也可以进一步研究金属——绝缘体(M-I)转变。Hubbard Model在强关联电子体系的运用也进一步发展了t-J Model,应用于铜氧化合物的高温超导理论。
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 楼主| 发表于 2016-9-30 05:09:49 | 显示全部楼层

两种观点的争论

尽管分子电流的观点已被广泛采用,但两种观点的争论并未结束。因为迄今为止尚不能把一切物质的磁性起源都归结为分子电流。比如,一些基本粒子的固有磁矩(像电子的自旋磁矩)便不能简单地被认为是由于电荷的旋转所产生的。由于这些固有磁矩在远源区的性质与磁偶极子相同,所以通常把粒子的固有磁矩视为磁偶极子。另外,由于磁偶极子与环行电流在远源区的等效性,也有时把电子的轨道磁矩当作磁偶极子处理。
最后我们指出,上述的B和H都是描写磁介质内部磁场的宏观量,是微观尺度内的磁场在一个小区域内的宏观平均值。但是,在某些实验中需要涉及微观结构的有效场。例如,在核磁共振和穆斯堡尔谱实验中所研究的原子核所受的磁场,就是一种微观场。它既不同于B也不同于H,需要根据原子核所处的微观环境具体计算。
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 楼主| 发表于 2016-9-30 05:11:00 | 显示全部楼层

磁偶极子

实际上,利用“薛定锷蛋”理论和几何观点可以将上述两种观点统一起来进行处理,即认为上述两种观点是同一件事物的不同方面。以电流环为例,可以用共轴圆组表示它的磁力线,磁力线的对称轴为根轴。当c是负数时,两个极限点构成了磁偶极子;当c是正数时,产生磁场的电流环为共轴圆组的极限点构成的圆环。这里极限点与无穷远点类似,我们认为电荷是个无穷远点,磁偶极子便是两个极限点,磁偶极子之间的磁力线与正、负电荷之间的电力线有完全相同的形状,电流环是极限环。当然,这种统一观点也是近似的、只在微观领域才成立,范围稍大一点磁场构型便复杂起来。
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 楼主| 发表于 2016-10-3 05:43:47 | 显示全部楼层

巡游电子

d电子到底是局域的,抑或是巡游的,须用实验来验证。有许多实验证明它具有巡游特性,其中之一是比热实验。巡游电子的比热与绝对温度成正比。若d电子是巡游的,则因其有效质量大,电子比热也应当大。实验证明过渡金属的电子比热确实比预计的大。这表明d电子是巡游电子。
因d电子的有效质量大,故其动能变小;又因为d轨道狭窄,故若同一原子的d轨道中填充了两个电子,则库仑排斥能变大。这样,与s、p电子相比,在d电子情况下,电子间的相互作用将起重要的影响。下面就研究这个问题。前说d电子是巡游的,f电子是局域的,其原因在于f轨道更狭窄,构成固体时轨道重叠甚少。这时能带宽度|V|亦变小,故电子的有效质量便急剧变大。但只要电子不参与闭壳层而且V,则仍可认为它们不会处于全然不动的状态。
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 楼主| 发表于 2016-10-7 05:52:02 | 显示全部楼层

Jahn-Teller效应

严格来说,每个原子上电子的分布跟所有的价电子轨道有关(分子中原子的内层轨道电子可以认为是“局域”在原子内的(虽然从量子观点并非完全如此),对电荷改变基本没有贡献),而不仅仅取决于几个前线轨道(所以仅仅从LUMO等分析电子变化,是不完全正确的)。对于真实的体系来说,当加上电子后,其他离域电子的轨道也会变化,因而也会影响电子分布。
其实,Jahn-Teller effect 未必一定会发生,不严格的说,因为几何结构的畸变是要增加体系能量的(比如弹性能),这和Jahn-Teller effect 是一种竞争的关系,因此还要看总能是否有利。
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 楼主| 发表于 2016-10-7 05:53:52 | 显示全部楼层

“非绝热”体系

其实,这些东西从多体理论的角度来看非常明显,由于Jahn-Teller effect 起源与电子与晶格相互作用,而我们所研究的体系(非周期的分子或周期的固体)对于电子和晶格采用的是绝热近似(又叫奥本海默近似),从量子多体理论来看,当所研究的体系电子态形成简并能级时,绝热近似是不正确的。“Jahn-Teller effect ”是最有代表性的“非绝热”体系,独立的电子和分子(固体)点阵模式不再有严格的意义,其能量修正必须作为整体来处理。其实,类似的情况在物理中的超导、电子自旋弛豫现象也有体现。这时必须用新的能谱来描述晶格(或分子)振动-电子的耦合作用。
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 楼主| 发表于 2016-10-12 06:46:34 | 显示全部楼层

电阻的起源

在诸如铜这样的典型金属中,电子的平均速度是每秒10万米。实际上,这么大的速度足以使一个电子脱离地球引力了!这种情况没有发生的原因是,原子把一个电子丢弃到“导电的海洋”里以后,它就成了带正电的离子。现在,我们已经能够建立一个金属中电子导电的物理图像了。这些快速运动的电子被电场所加速。一个电子能够撞入到金属中的杂质和正离子里面。这就能够使粒子偏离了它们原来在电场作用下的运动方向。粒子甚至能够被反弹回来。在前进过程中,由于电子被这些障碍物所阻碍,因此,电子不会无止境地加速下去。最后,电子将处在一个稳定的速度下,因此,在一定的电压下,我们可以观察到一个稳定的电流。这种散射就是电阻(欧姆定律)的起源。
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 楼主| 发表于 2016-10-16 07:07:29 | 显示全部楼层

非对角长程序

M-理论可以解决很多问题。比如说,量子MB统计产生的排斥力可以阻止黑洞内部的无限坍缩,我认为,核力的排斥芯可能就是量子MB统计的一种效应。1962年杨振宁指出超导长程序是一种非对角长程序。关于高温超导机制,虽然BCS理论和非对角长程序的概念已建立了近半个世纪,然而还未找到一个强相互作用电子模型,可以建立起超导有序。M-理论可以给出非对角长程序的一个起源,漂流项是对角项,而碰撞项是非对角项。
显然,当牛顿-庞加莱凝聚发生后,会把热运动产生的涨落压制掉,从而建立起非对角长程序。目前,人们把超导能隙就等价于超导序参量。这一点原则上讲是不严格的。一个系统中只要存在超导非对角长程序,这个系统就是超导的,无论存不存在能隙。事实上,无能隙时也可以有持续电流,例如介观金属环中的持续电流。
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 楼主| 发表于 2016-10-18 09:26:52 | 显示全部楼层

固体凝聚

面包师变换和细胞分裂在局部是同构的。多细胞生物采取的是有丝分裂形式成长;对于细菌而言,细胞分裂本身就是增殖方式,一个细胞变成两个细胞,似乎是不对称的,隐含了时间之矢,但当我们考虑环境时,又可以认为它是对称的,你可以将环境当成一个“隐细胞”,一个实细胞吃进了一个隐细胞变成了两个细胞。与面包师变换相比,因为“薛定锷鸡”与“薛定锷蛋”的对偶性隐含了自旋,细胞分裂的看法与量子力学的相容性更好。
各种超流载体的不同性质都导致了同一性质。是加强了而不是破坏了宇宙的自然现象,从我们的分析中可知,超流现象中牛顿-庞加莱统计起了很大作用。在著名的固体凝聚中也具有同样有趣的现象。如果我们对固态的存在不是很熟悉的话,我们同样会感到很奇怪。各种各样的原子和分子,彼此之间存在不同类型的作用力,而且总是形成了晶体;晶体的布局和它的基本性质又都是很相近的,不管它是由铜原子构成还是由氦原子构成,或者还是由更复杂的蛋白质单元构成。

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 楼主| 发表于 2016-10-19 12:17:50 | 显示全部楼层

Verwey相变

硫复铁矿是一种亚铁磁性矿物,不仅在生物-地质化学循环方面起到很大作用,同时其常温常压条件下半金属的电子结构特征使其在自旋电子器件领域有很大的应用前景。早在1939年,Verwey在磁铁矿(四氧化三铁)的研究中发现了当温度从常温降到120K时,系统电阻突然地增大。这个Verwey相变之后被证实是由于低温下电荷取向所导致的金属-绝缘体相变。尽管硫复铁矿和磁铁矿有着相同的结构,但是目前实验上还没有发现类似的Verwey相变,这可能是由于实验上很难制备出高纯度和高结晶度的四硫化三铁样品。
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