凝聚态物理学

1、凝聚态在物理学中的格局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1第一页，共15页。物质世界的层次化物质世界的层次化 1 1】 20 20世纪的物理学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初期到中期：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2第二页，共15页。3第三页，共15页。凝聚态物理学4第四页，共15页。 2 2】 简单

2、性与复杂性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！成果第五页，共15页。 3 3】 还原论的局限还原论的局限-层展现象层展现象还原论-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层展的世界第六页，共15页。凝聚态物理学的范围凝聚态物理学的范围空间尺度：1m 0

3、.1nm时间跨度：1year 1fs能量范围：1000K 1nK粒子数量：1027 1021 ，103 101 第七页，共15页。凝聚态物理学的范围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 1】 理论方法理论方法量子量子+ +经典经典 另外，利用热平衡体系区分的模糊边界：量子简并温度 第八页，共15页。凝聚态物理学的范围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 1】 理论方法理论方法量子量子+ +经典经

4、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 光束第九页，共15页。凝聚态物理学的范围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 2】 凝聚现象凝聚现象从统计物理理解：空间存在分厢化，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原子液体的超流第十页，共15页。凝聚态物理学的范围凝聚态物理学的范围热力学平

5、衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小 3 3】 有序化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晶体第十一页，共15页。凝聚态物理学的范围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 3】 有序化有序化内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定动量-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

6、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。第十二页，共15页。凝聚态物理学的范围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 3】 有序化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或局域磁畴第十三页，共15页。凝聚态物理学的范围凝聚态物理学的范围 3 3】 有序化有序化动量-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。第十