凝聚态物理学 PPT
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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
1】
物质世界的层次化
20世纪的物理学
相对论 —— 经典物理的压轴戏 修正时空观、天文学
量子论 —— 拉开微观物理学的帷幕 原子分子学、集体相干和量子涨落
初期到 1) 从原子物理向下，核物理，基本粒子 中期： 2) 对宇宙的探索，引力波、黑洞、暗物质等
量子相变 = 0K
改变外因时，量子涨落 的必然约束导致相变
自旋序---自旋在位行或动量空间中排布关联
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
凝聚态物理学的范围
3】 有序化
经典体系和量子体系有序化的对比：
动量-能态序---粒子在能态结构中分布存在关联
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。 提高有序度方法：减少外界作用/粒子互作用/浓度。 动量-位置测不准关系：动量序和位置序不相容。
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
3】 有序化 热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小 内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定 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： 动量-能态序---粒子在能态结构中分布存在关联
成果
还原与统一相伴（弱力与电磁力统一，量子+相对论？）
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！
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
量子状态下： BEC，BCS，SC ， FL 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
3】 有序化 热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小 内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定 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：
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
1】 理论方法—量子+经典
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
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。 提高有序度方法：增加作用强度/粒子浓度。 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 热力学相变和量子相变的对比
热力学相变 > 0K
经典热涨落 导致相变
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
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
1】 理论方法—量子+经典 粒子系统体现波动性：相干波长Lc ~粒ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ间距a 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
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
3
凝聚态物理学
4
物理学家的无上考验在于达到那些普
2】 简单性与复杂性 适性基本规律后，再从它演绎出宇宙
——Einstein
研究方法：还原论-先从复杂到简单，再从简单重建复杂
凝聚态物理学的范围
2】 凝聚现象
（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
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 金属超导体中的库珀对
K=0时Fermi子的液滴 3He原子液体的超流
凝聚态物理学的范围
3】 有序化 热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小 内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定 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：
位置序---粒子间位置存在关联
参考：冯端，《凝聚态物理学》，高等教育出版社
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1】
物质世界的层次化
20世纪的物理学
相对论 —— 经典物理的压轴戏 修正时空观、天文学
量子论 —— 拉开微观物理学的帷幕 原子分子学、集体相干和量子涨落
初期到 1) 从原子物理向下，核物理，基本粒子 中期： 2) 对宇宙的探索，引力波、黑洞、暗物质等
量子相变 = 0K
改变外因时，量子涨落 的必然约束导致相变
自旋序---自旋在位行或动量空间中排布关联
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
凝聚态物理学的范围
3】 有序化
经典体系和量子体系有序化的对比：
动量-能态序---粒子在能态结构中分布存在关联
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。 提高有序度方法：减少外界作用/粒子互作用/浓度。 动量-位置测不准关系：动量序和位置序不相容。
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
3】 有序化 热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小 内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定 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： 动量-能态序---粒子在能态结构中分布存在关联
成果
还原与统一相伴（弱力与电磁力统一，量子+相对论？）
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！
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
量子状态下： BEC，BCS，SC ， FL 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
3】 有序化 热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小 内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定 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：
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
1】 理论方法—量子+经典
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
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。 提高有序度方法：增加作用强度/粒子浓度。 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 热力学相变和量子相变的对比
热力学相变 > 0K
经典热涨落 导致相变
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
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
1】 理论方法—量子+经典 粒子系统体现波动性：相干波长Lc ~粒ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ间距a 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
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
3
凝聚态物理学
4
物理学家的无上考验在于达到那些普
2】 简单性与复杂性 适性基本规律后，再从它演绎出宇宙
——Einstein
研究方法：还原论-先从复杂到简单，再从简单重建复杂
凝聚态物理学的范围
2】 凝聚现象
（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
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 金属超导体中的库珀对
K=0时Fermi子的液滴 3He原子液体的超流
凝聚态物理学的范围
3】 有序化 热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小 内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定 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：
位置序---粒子间位置存在关联