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
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
Still immense possibilities are waiting to be explored Coexistence of intellectual challenges and practical rewards
25
Dimensionality reduces
Using coherence of de Broglie waves
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
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
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
1 1 2D D + × × = 0, μ (r + l ) = μ (r ), ε (r + l ) = ε (r ) 2 2 c t ε (r ) μ (r )
2 M s 2 ulsα = ∑ Φ lsα ,l ′s′β ul ′s′β , t l ′s ′β
Φ lsα ,l ′s′β = Φ 0 sα , ls′β
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
What is Symmetry
12
基本粒子衰变和俘获 (W+, W-, 和Z0) 10-10-10-12
带电粒子 (光子) 所有物体 (引力子)
10-2 10-39
一场无限平稳的革命
简单性 →复杂性 破缺对称性→层展现象(emergent phenomena) J. Hollan, Emergence, 1995
超导电性、自旋玻璃、时空相干结构 以及更广泛的学科范围 地质学、生物学、人工智能、经济学等
vols. 1-57, 1955-2002
22
Extension and modification of the paradigm Wave behavior beyond perfect periodicity
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
Gases, Liquids and Solids Decompose Molecules or Atoms Nuclei and Electrons Protons and Neutrons Quarks and Gluons
11
四种基本相互作用
类型 强 弱 电磁 引力 客体 质子和中子 (介子和胶子) 强度 1-10 范围 10-15-10-14cm 10-14cm 无限 无限
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
3.1 对称性破缺
Artificial nanostructures: superlattices, quantum wells, quantum wires, quantum dots, and small rings Transport phenomena: ballistic transport and tunneling transport
---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
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
Solid State Physics, Advances in Research and Applications
表1. 凝聚态物理学中有关的对称性
29
Professor Yang poined out
The fundamental rhythm in physics of twenty century is 二十世纪物理学的基本韵律 Symmetry, Quantization and Phase Factor
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
图2. 物理学不同分支 学科与所研究结构的 尺度
9
2. 从固体物理学到凝聚态物理学
2.1 科学发展的历史轨迹 复杂性
→ 简单性
还原论者
大块物质 → 分子→ 原子 → 原子核和电子 → 核子等 各种相互作用 → 四种基本相互作用 → 电弱统一 → 强电弱统一 → 大统一
10
From Complexity to Simplicity: Reductionist Approach
7
极小与极大两前沿之间有紧密联系 粒子物理提供早期宇宙的考古信息 星球与宇宙是高能物理的巨大实验室 两极之间存在众多的中间层次
图1. 物质结构
长度 100cm-10-8cm 能量 1000K-10-9K 时间 108s–10-15s 粒子数 1027-102
Even today the vitality of this paradigm is not exhausted, new investigations on photonic and phononic band gaps in the late 1980s and after