《凝聚态物理学》PPT课件.ppt

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1、1,凝聚态在物理学中的格局,参考：冯端，凝聚态物理学，高等教育出版社,2,物质世界的层次化,1】20世纪的物理学,相对论 经典物理的压轴戏,量子论 拉开微观物理学的帷幕,修正时空观、天文学,原子分子学、集体相干和量子涨落,初期到中期：,1)从原子物理向下，核物理，基本粒子,2)对宇宙的探索，引力波、黑洞、暗物质等,建立两大基本模型：用于粒子物理和宇宙论,3)量子论向上，微观世界和宏观凝聚态物质的汇合,固体物理学+量子+统计凝聚态物理另一前沿,3,4,凝聚态物理学,2】简单性与复杂性,研究方法：还原论-先从复杂到简单，再从简单重建复杂,还原与统一相伴（弱力与电磁力统一，量子+相对论？）,物理学家

2、的无上考验在于达到那些普适性基本规律后，再从它演绎出宇宙Einstein,问题！能统一的范围极限，还原的真实性和可行性？,因为物质世界的诸层次之间，除存在耦合，还存在脱耦！,成果,3】还原论的局限-层展现象,还原论-先从复杂到简单，再从简单重建复杂,因为物质世界的诸层次之间，除存在耦合，还存在脱耦！,不同物质结构的不同层次间耦合与脱耦微妙平衡,层展的世界,凝聚态物理学的范围,空间尺度：1m 0.1nm,时间跨度：1year 1fs,能量范围：1000K 1nK,粒子数量：1027 1021，103 101,凝聚态物理学的范围,如何区分两者应用范围？,通常研究对象：全同粒子构成的多体体系分界：当

3、粒子的相干性或波动性不能忽视 区分经典和量子,粒子系统体现波动性：相干波长Lc 粒子间距a,相干波长de Broglie波长,1】理论方法量子+经典,另外，利用热平衡体系,区分的模糊边界：量子简并温度,凝聚态物理学的范围,粒子系统体现波动性：相干波长Lc 粒子间距a,1】理论方法量子+经典,区分的模糊边界：量子简并温度,分析：m,a,T常温下固体材料中的电子 气体中的分子 原子气体 光束,凝聚态物理学的范围,（1）实空间中的凝聚：气体：没有明确的表面，密度最低 液体：流动性弹性模量为0(宏观)原子可离域(微观)固体：凝聚紧密形态，密度高，不易形变,2】凝聚现象,从统计物理理解：空间存在分厢化，

4、即出现自由表面并存在势垒，从而保持热平衡下两侧的密度差,（2）相空间中的凝聚：,超低温下Bose子的BEC,K=0时Fermi子的液滴,金属超导体中的库珀对,3He原子液体的超流,凝聚态物理学的范围,热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小,3】有序化,内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定,位置序-粒子间位置存在关联,凝聚过程不同平衡态间的相变 对称破缺，新次序的建立,有序化的体现：,固体：长程序液体：短程序气体：无序,量子状态下：,电荷密度波，自旋密度波，Wigner晶体,凝聚态物理学的范围,热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小,3】有序化,内能与熵的博弈，有序与无序的调

5、和稳定,动量-能态序-粒子在能态结构中分布存在关联,凝聚过程不同平衡态间的相变 对称破缺，新次序的建立,有序化的体现：,BEC，BCS，SC，FL,量子状态下：,有序相稳定的原因：粒子间波包的重叠造成整体关联，Bose受激天性使得粒子集群到共同的波动状态。,凝聚态物理学的范围,热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小,3】有序化,内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定,自旋序-自旋在位行或动量空间中排布关联,凝聚过程不同平衡态间的相变 对称破缺，新次序的建立,有序化的体现：,顺磁体(无序)铁/反铁磁体(通过自旋交换相互作为建立次序)自旋玻璃相变(自旋端程序),自旋序的出现一般伴随自旋极化

6、或局域磁畴,凝聚态物理学的范围,3】有序化,动量-能态序-粒子在能态结构中分布存在关联,经典体系和量子体系有序化的对比：,有序相稳定的原因：粒子间波包的重叠造成整体关联，Bose受激天性使得粒子集群到共同的波动状态。,经典体系的位置序,有序相稳定的原因：粒子互作用或跟周期外场作用，相对于量子体系，属于强制约导致的有序化。,动量-位置测不准关系：动量序和位置序不相容。,提高有序度方法：增加作用强度/粒子浓度。,提高有序度方法：减少外界作用/粒子互作用/浓度。,所属密度区间：相对于量子体系，属于密度小的情况。,凝聚态物理学的范围,3】有序化,0K,热力学相变,热力学相变和量子相变的对比,量子相变,=0K,经典热涨落导致相变,改变外因时，量子涨落的必然约束导致相变,