凝聚態(tài)物理學

1、凝聚態(tài)在物理學中的格局凝聚態(tài)在物理學中的格局參考：馮端，凝聚態(tài)物理學，高等教育出版社1第一頁，共15頁。物質(zhì)世界的層次化物質(zhì)世界的層次化 1 1】 20 20世紀的物理學世紀的物理學相對論 經(jīng)典物理的壓軸戲量子論 拉開微觀物理學的帷幕修正時空觀、天文學原子分子學、集體相干和量子漲落初期到初期到中期：中期：1) 從原子物理向下，核物理，基本粒子2) 對宇宙的探索，引力波、黑洞、暗物質(zhì)等建立兩大基本模型：用于粒子物理和宇宙論3) 量子論向上，微觀世界和宏觀凝聚態(tài)物質(zhì)的匯合固體物理學+量子+統(tǒng)計凝聚態(tài)物理另一前沿2第二頁，共15頁。3第三頁，共15頁。凝聚態(tài)物理學4第四頁，共15頁。 2 2】 簡單

2、性與復雜性簡單性與復雜性研究方法：還原論-先從復雜到簡單，再從簡單重建復雜還原與統(tǒng)一相伴（弱力與電磁力統(tǒng)一，量子+相對論？）物理學家的無上考驗在于達到那些普適性基本規(guī)律后，再從它演繹出宇宙Einstein問題！能統(tǒng)一的范圍極限，還原的真實性和可行性？因為物質(zhì)世界的諸層次之間，除存在耦合，還存在脫耦！成果第五頁，共15頁。 3 3】 還原論的局限還原論的局限-層展現(xiàn)象層展現(xiàn)象還原論-先從復雜到簡單，再從簡單重建復雜因為物質(zhì)世界的諸層次之間，除存在耦合，還存在脫耦！不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同層次間耦合與脫耦微妙平衡層展的世界層展的世界第六頁，共15頁。凝聚態(tài)物理學的范圍凝聚態(tài)物理學的范圍空間尺度：1m 0

3、.1nm時間跨度：1year 1fs能量范圍：1000K 1nK粒子數(shù)量：1027 1021 ，103 101 第七頁，共15頁。凝聚態(tài)物理學的范圍凝聚態(tài)物理學的范圍如何區(qū)分兩者應(yīng)用范圍？通常研究對象：全同粒子構(gòu)成的多體體系分界：當粒子的相干性或波動性不能忽視 區(qū)分經(jīng)典和量子粒子系統(tǒng)體現(xiàn)波動性：相干波長Lc 粒子間距a相干波長de Broglie波長 1 1】 理論方法理論方法量子量子+ +經(jīng)典經(jīng)典 另外，利用熱平衡體系區(qū)分的模糊邊界：量子簡并溫度 第八頁，共15頁。凝聚態(tài)物理學的范圍凝聚態(tài)物理學的范圍粒子系統(tǒng)體現(xiàn)波動性：相干波長Lc 粒子間距a 1 1】 理論方法理論方法量子量子+ +經(jīng)典經(jīng)

4、典區(qū)分的模糊邊界：量子簡并溫度 分析：m, a, T常溫下固體材料中的電子 氣體中的分子 原子氣體 光束第九頁，共15頁。凝聚態(tài)物理學的范圍凝聚態(tài)物理學的范圍（1）實空間中的凝聚： 氣體：沒有明確的表面，密度最低 液體：流動性彈性模量為0(宏觀) 原子可離域 (微觀) 固體：凝聚緊密形態(tài)，密度高，不易形變 2 2】 凝聚現(xiàn)象凝聚現(xiàn)象從統(tǒng)計物理理解：空間存在分廂化，即出現(xiàn)自由表面并存在勢壘，從而保持熱平衡下兩側(cè)的密度差（2）相空間中的凝聚： 超低溫下Bose子的BEC K=0時Fermi子的液滴金屬超導體中的庫珀對3He原子液體的超流第十頁，共15頁。凝聚態(tài)物理學的范圍凝聚態(tài)物理學的范圍熱力學平

5、衡態(tài)：自由能U-TS或Gibbs能取極小 3 3】 有序化有序化內(nèi)能與熵的博弈，有序與無序的調(diào)和穩(wěn)定位置序-粒子間位置存在關(guān)聯(lián)凝聚過程不同平衡態(tài)間的相變 對稱破缺，新次序的建立有序化的體現(xiàn)：固體：長程序液體：短程序氣體：無序量子狀態(tài)下：電荷密度波，自旋密度波，Wigner晶體第十一頁，共15頁。凝聚態(tài)物理學的范圍凝聚態(tài)物理學的范圍熱力學平衡態(tài)：自由能U-TS或Gibbs能取極小 3 3】 有序化有序化內(nèi)能與熵的博弈，有序與無序的調(diào)和穩(wěn)定動量-能態(tài)序-粒子在能態(tài)結(jié)構(gòu)中分布存在關(guān)聯(lián)凝聚過程不同平衡態(tài)間的相變 對稱破缺，新次序的建立有序化的體現(xiàn)：BEC，BCS，SC ， FL量子狀態(tài)下：有序相穩(wěn)定的

6、原因：粒子間波包的重疊造成整體關(guān)聯(lián)，Bose受激天性使得粒子集群到共同的波動狀態(tài)。第十二頁，共15頁。凝聚態(tài)物理學的范圍凝聚態(tài)物理學的范圍熱力學平衡態(tài)：自由能U-TS或Gibbs能取極小 3 3】 有序化有序化內(nèi)能與熵的博弈，有序與無序的調(diào)和穩(wěn)定自旋序-自旋在位行或動量空間中排布關(guān)聯(lián)凝聚過程不同平衡態(tài)間的相變 對稱破缺，新次序的建立有序化的體現(xiàn)：順磁體(無序)鐵/反鐵磁體(通過自旋交換相互作為建立次序)自旋玻璃相變(自旋端程序) 自旋序的出現(xiàn)一般伴隨自旋極化或局域磁疇第十三頁，共15頁。凝聚態(tài)物理學的范圍凝聚態(tài)物理學的范圍 3 3】 有序化有序化動量-能態(tài)序-粒子在能態(tài)結(jié)構(gòu)中分布存在關(guān)聯(lián)經(jīng)典體系和量子體系有序化的對比：有序相穩(wěn)定的原因：粒子間波包的重疊造成整體關(guān)聯(lián)，Bose受激天性使得粒子集群到共同的波動狀態(tài)。經(jīng)典體系的位置序有序相穩(wěn)定的原因：粒子互作用或跟周期外場作用，相對于量子體系，屬于強制約導致的有序化。動量-位置測不準關(guān)系：動量序和位置序不相容。提高有序度方法：增加作用強度/粒子濃度。提高有序度方法：減少外界作用/粒子互作用/濃度。所屬密度區(qū)間：相對于量子體系，屬于密度小的情況。第十