一场无限平稳的革命
超出三维严格周期性，以更 广泛的物质聚集体为对象
互作用
凝聚态物理学是从微观角度 出发，研究由相互作用的多 粒子组成的凝聚态物质的结 构和动力学过程，及其与宏 观物理性质之间关系的一门 科学
维度性
对称性
24
Large amount of discoveries
• • • • • • High temperature superconductors Integer and fractional quantum Hall effects Quantum transport in mesoscopic systems C60 molecules and solids Giant and colossal magnetoresistance Realization of Bose-Einstein condensation
• Dilute impurities and surfaces in crystals → Friedel oscillations of electron density • Concentrated impurities → multiple scattering → weak localization and enhanced backscattering • Strongly disordered systems → Anderson localization • Quasicrystals → self-similar energy structure and critical state, singular continuity • Fractal structures → scale invariance, fractons
2. 固体比热理论 Einstein 独立振子模型 1907 Debye 连续介质模型 1912 Born 和 von Karman 点阵动力学理论 1912
18
3. 电子输运的理论 Drude、Lorentz的金属导电的经典理论 Pauli、Sommerfeld、Fermi的统计理论 Bloch 波的理论 能带理论 1928 Wilson的理论 1931 4. 铁磁性研究 Curie 定律 1895 铁磁-顺磁相变温度 Weiss的分子场理论 1907 Heisenberg的量子理论 1928
Even today the vitality of this paradigm is not exhausted, new investigations on photonic and phononic band gaps in the late 1980s and after
23
2.3 向凝聚态物理学的发展
19
固体物理学的核心概念 F. Seitz, 1940, “Modern Theory of Solids” L. Brillouin, 1946 “Wave Propagation in Periodic Structure” 电磁波、弹性波、电子波以及自旋波 实空间和倒空间 Brillouin 区
Solid State Physics, Advances in Research and Applications
vols. 1-57, 1955-2002
22
Extension and modification of the paradigm Wave behavior beyond perfect periodicity
Φ lsα ,l ′s′β = Φ 0 sα , ls′β
⎡ h2 2 ⎤ ∂ ih ψ = ⎢ − ∇ + V (r ) ⎥ψ , ∂t ⎣ 2m ⎦
V (r + l ) = V (r )
21
常规发展时期 F. Seitz, D.Turnbull, H. Ehrenreich, F. Spaepen
σ
kσ
H = ∑ ε k nkσ + ∑ ε d ndσ + H sd
kσ
σ
+ + + + H sd = − J ∑ ⎡ S z (ck ′↑ ck ↑ − ck ′↓ ck ↓ ) + S + ck ′↓ ck ↑ + S − ck ′↑ ck ↓ ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ kk ′
28
3. 凝聚态物理学中的重要概念
⎡ 1 2 ⎤ − ∇ + v(r ) ⎥ψ (r ) = εψ (r ), ⎢ 2m ⎣ ⎦
v (r + l ) = v (r )
e2 ⎡ 1 2 ⎤ 1 ∇i + v(ri ) ⎥ + ∑ H = ∑ ⎢− ⎦ 2 i ≠ j ri − r j i ⎣ 2m
′ ⎡ 1 1 e2 2 ∑ ⎢− 2m ∇i + v(ri ) + 2 ∑ r − r j i ⎢ i j ⎣
a new exciting subfield: Mesoscopic Physics as well as Nano Technology
26
Interaction increases
H Ψ (r1 ,..., rN ) = E Ψ (r1 ,..., rN )
⎡ 1 2 ⎤ ∇ i + v(ri ) ⎥ H = ∑ H i = ∑ ⎢− ⎦ i i ⎣ 2m
Introduction to Condensed Matter Physics
basic concepts in condensed matter physics
3
凝聚态物理学
一、凝聚物质的结构 二、各种结构中波的行为 三、键、能带及其它 四、相变和有序相 五、临界现象 六、元激发 七、缺陷和织构 八、非平衡现象
湘潭大学讲座
凝聚态物理学的 基本概念和现代发展
金国钧
2007.11.17
1
凝聚态物理学 当代物理学中最重要的一个分支 具有以下几个特点 • • • • 众多的研究工作者 丰富的研究成果 对技术发展的广泛影响 向交叉领域的迅速渗透
2
Feng Duan and Jin Guojun, Since 1990 established a graduate course
6
1.2 物质世界的层次化
1. 微观方面 原子物理 → 核物理
→
亚核物理
追寻基本粒子, 高能加速器, 一大堆基本粒子 强子：质子、中子、 介子、大量共振态粒子 轻子：电子、 子、中微子
μ
π
2. 宇观方面，对宇宙的探测 弯曲时空,大爆炸,宇宙加速膨胀
近代天文学的实验观测 Hubble红移 3 K 微波辐射，2006Nobel奖 暗能量 占宇宙物质的73%
Still immense possibilities are waiting to be explored Coexistence of intellectual challenges and practical rewards
25
Dimensionality reduces
Using coherence of de Broglie waves
4
提纲
1. 凝聚态物理学在物理学中的位置
2. 从固体物理学到凝聚态物理学 3. 凝聚态物理学中的重要概念 4. 凝聚态物理学和现代科学技术
5
1. 凝聚态物理学在物理学中的位置
1.1 二十世纪物理学的伟大成就
物理学是一门自然科学， 是人类文化的组成部分， 还是技术的基础 Lord Kelvin (1824-1907) M. Thompson 1900年 新年献词 《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》 相对论 宏观世界 Einstein个人，1905，1915 量子论 微观世界 一批物理学家，since 1900
---P. W. Anderson (1972)
15
世界是复杂的， 也是简单的， 但是归根结底 是复杂的， 复杂性导致多样性， 希望寄托在复杂性上
16
2.2 固体物理学的建立 1. 晶体学研究 探明晶体内部原子排列 Kepler (1611) 雪花、微粒堆垛 晶体的对称性理论 19世纪后期，14，32，230 x射线的运动学衍射理论 衍射光栅 Laue 1912 Bragg方程 x射线的动力学衍射理论 Ewald 及其他人191617
C. Kittel, 7 editions, 1953-1996 Introduction to Solid State Physics N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, 1976 Solid State Physics
20
Three types of wave equations
Artificial nanostructures: superlattices, quantum wells, quantum wires, quantum dots, and small rings Transport phenomena: ballistic transport and tunneling transport
13
图3. 二类超导体中的磁通点阵 图4. 自旋玻璃
图5. Benard胞
14
Is complexity Physics? Is it Science? What is it? Complexity is often Physics: Leading edge of Science ---P. W. Anderson (1991) More is different !
Gases, Liquids and Solids Decompose Molecules or Atoms Nuclei and Electrons Protons and Neutrons Quarks and Gluons