凝聚态物理学 PPT
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《凝聚态光物理学》PPT课件
Phonon absorption or lattic absorption
Due to absorption by bound electrons Fundamental absorption edge, is determined by the band gap.
The optical properties of semiconductors are similar to those of insulators, expect that the electronic and phonic transitions occur at longer wavelengths. Its transparency range lies outside the visible spectrum, so it has a dark Metallic appearance.
1.4 Optical materials
1.41 Crystalline insulators and semiconductors
Materials can take on new properties by controlled doping with optically active substance.
• Saturated compounds: compounds which do not contain any free valence (all the electrons are tightly held in their bonds), and are transparent in the visible, absorb in the infrared and ultraviolet (insulator crystals);
凝聚态物理专题 ppt课件
从此以后，X 射线学在理论和实验方法
上飞速发展，形成了一门内容极其丰富、
应用极其广泛的综合学科。
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1913年，布拉格父子给出利用X射线晶体分光仪测定 晶格常数的布拉格公式。
1915年，诺贝尔物理学奖授 予亨利. 布拉格和劳伦斯. 布拉 格，以表彰他们用 X 射线对晶 体结构的分析所作的贡献。
1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德发现超导体具有完全
抗磁性。
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1935年，F.伦敦和H.伦敦发表超导现象的宏观电动力 学理论——伦敦方程。
1938年，卡皮查实验证实氦的超流动性。
1938年，F.伦敦提出了超流动性的统计理论。
1940年，朗道提出氦II超流性的量子理论。
1962年诺贝尔物理学奖授予朗道，以 表彰他作出了凝聚态、特别是液氦的先 驱性理论。
下面，以编年史的形式，介绍在凝聚态物理学发展中 的一些大事件，从而跟踪凝聚态物理的发展进程。
1900年，特鲁特发表金属电子论。 1905年，郎之万发表顺磁性的经典理论。 1906年，爱因斯坦发表固体比热的量子理论。 1907年，外斯发表铁磁性的分子场理论，提出磁畴假 设。1919年，巴克豪森发现了磁畴。
固体能带理论和对称破缺的相变理 论是凝聚态物理学的两个基本理论。
其中，固体的能带理论导致了半导体物理的诞生，并 进而推动了现代信息科学与技术的产生和发展。
目前，利用能带理论已经可以对晶体特性参量根据第
一性原理进行从头计算，计算结果的准确性非常令人满
意。而这样的理论计算，又可以作为进一步发展材料的
依据。
ppt课件
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在凝聚态物质中，原子、分子等粒子之间的距离与粒 子本身线度具有大致相同的数量级。
物理学前沿第二章凝聚态物理 PPT
2.1 凝聚态物理学现状
对
称 性
对称性的概念源于生活
概
日常生活中常说的对称性，是指物体或
念 一个系统各部分之间的适当比例、平衡、协
源 调一致，从而产生一种简单性和美感。这种
于 美来源于几何确定性，来源于群体与个体的
生 有机结合。
活
2.1 凝聚态物理学现状
人体、动植物结构对称
对
称
性
概
念
源
于
生
活
天竺葵 长春草
2.1 凝聚态物理学现状
• 相变是指当外界约束（温度和压强）作连续变化 时，在特定条件下，物体状态的突变。 这具体可表现为：
• （1）结构的变化，如气-液、气-固相变，或固相 中不同晶体结构之间的转变；
• （2）化学成分的不连续变化，如固溶体的脱溶分 解或溶液的脱溶沉淀；
• （3）某种物理性质的突变，如顺磁-铁磁转变、 顺电-铁电转变、正常态-超导态转变等
可以是满带，也可以是导带；如在金属中是导带
，所以金属能导电。在绝缘体中和半导体中是满
带所以它们不能导电。但半导体很容易因其中有
杂质或受外界影响（如光照，升温等），使价带
中的电子数目减少，或使空带中出现一些电子而
成为导带,因而也能导电。
2.1 凝聚态物理学现状
• 窄能带：按照固体的能带理论，半导体的 价带与导带之间有一个禁带。在禁带较窄 的半导体中，有一些物理现象表现得最为 明显，最便于研究，因此把窄禁带半导体 作为半导体的单独一类。但“窄”的界限 并不严格，一般把禁带小于小于0.26eV的 半导体通称为窄禁带半导体。
2.1 凝聚态物理学现状
建筑物(宫殿,寺庙,陵墓,教堂)左右对称
对 称 性 概 念 源 于 生 活
对
称 性
对称性的概念源于生活
概
日常生活中常说的对称性，是指物体或
念 一个系统各部分之间的适当比例、平衡、协
源 调一致，从而产生一种简单性和美感。这种
于 美来源于几何确定性，来源于群体与个体的
生 有机结合。
活
2.1 凝聚态物理学现状
人体、动植物结构对称
对
称
性
概
念
源
于
生
活
天竺葵 长春草
2.1 凝聚态物理学现状
• 相变是指当外界约束（温度和压强）作连续变化 时，在特定条件下，物体状态的突变。 这具体可表现为：
• （1）结构的变化，如气-液、气-固相变，或固相 中不同晶体结构之间的转变；
• （2）化学成分的不连续变化，如固溶体的脱溶分 解或溶液的脱溶沉淀；
• （3）某种物理性质的突变，如顺磁-铁磁转变、 顺电-铁电转变、正常态-超导态转变等
可以是满带，也可以是导带；如在金属中是导带
，所以金属能导电。在绝缘体中和半导体中是满
带所以它们不能导电。但半导体很容易因其中有
杂质或受外界影响（如光照，升温等），使价带
中的电子数目减少，或使空带中出现一些电子而
成为导带,因而也能导电。
2.1 凝聚态物理学现状
• 窄能带：按照固体的能带理论，半导体的 价带与导带之间有一个禁带。在禁带较窄 的半导体中，有一些物理现象表现得最为 明显，最便于研究，因此把窄禁带半导体 作为半导体的单独一类。但“窄”的界限 并不严格，一般把禁带小于小于0.26eV的 半导体通称为窄禁带半导体。
2.1 凝聚态物理学现状
建筑物(宫殿,寺庙,陵墓,教堂)左右对称
对 称 性 概 念 源 于 生 活
高分子物理 第2章 聚合物的凝聚态结构ppt课件
法方
熔体结晶 玻璃体结晶 溶液结晶
例如： PE、PP、PVC、PS、PAN
高分子链可以从熔体结晶，从玻璃体结晶，也可以
从溶液结晶。 ---------三种结晶方式
结晶聚合物最重要的实验证据为X射线衍射花样和 衍射曲线。
---------实验测定方法
结晶聚合物的晶体结构，结晶程度，结晶形态对其 力学性能，电学性能，光学性能都有很大影响。
★ CED=300 — 400J/cm3聚合物，为塑料。
192 4
例1 : 根据高聚物的分子结构和分子间作用能，定性地讨 论表中所列各高聚物的性能。
高聚物 聚乙烯 聚异丁烯 天然橡胶 聚丁二烯 丁苯橡胶 聚苯乙烯
内聚能密度 高聚物
259
聚甲基丙烯酸甲酯
272
聚醋酸乙烯酯
280
聚氯乙烯
276
聚对苯二甲酸乙二酯
--------研究晶体结构等的目的
结晶聚合 物的重要 实验证据
X射线衍射花样 X-ray patterns
Intensity (cps)
X射线衍射曲线 X-ray diffraction
1000
500
0 10 20 30 40 50
Polar angle (degree)
192 4
X射线衍射 （X-ray instrument） 1924 狭缝
为什么？
例2： 将下列三组聚合物的结晶难易程度排列成序： (1) PE，PP，PVC，PS，PAN； (2) 聚己二酸乙二酯， (3) 聚间苯二甲酸乙二酯， 聚对苯二甲酸乙二酯； (3) PA 66，PA 1010．
解：结晶难易程度为： （1）PE >PAN >PP >PVC >PS （2）聚己二酸乙二酯 > PET >聚间苯二甲酸乙二酯 （3）尼龙66 > 尼龙1010
《凝聚态物理学基础知识讲座250页PPT
2, c
VI. c: 1nm,为 金 属 中 两 个 电 子 的 平 均 距 离
VII. 因为等离子波必须只有当其波长大 于电子之间的距离才能存在。
V. 作图
VI. Bohm-Pines在1951-1953年提出：
∆ 电子气体中电子－电子之间的二体库 仑相互作用会引起电子之间的长程关 联运动
∆ 电子气体以电子密度集体振荡的方式 来体现电子－电子之间二体库仑相互 作用的长程效应。 电子气体的等离子集体振荡能量量 子——元激发（准粒子）称为：等离 子激元(plasmon)，是玻色子。
5. 金属中,由相互作用电子气体的一种 分别元激发——电子－空穴对。
I. 电子－空穴对算符，是分别激发算符， 定义为：
ˆvv qk
aˆkvqvaˆkv
II. ˆ v v 的本征值方程： qk Hˆ,ˆqvkvqvkvˆqvkv
III. 采用固体的凝胶模型：
Hˆ Hˆ0 Hˆ
① 如果讨论的是自由电子系，其哈密顿量 ，
e 记r ri rj 2
uv uv
40 ri rj
r
vv
v Vqveiqgr，
q
式中Vv q
4 e2
q2
可见：电子系中电子－电子间的二体库仑
势的傅立叶展开中的长波部分 0qqc
已用于产生等离子激元，故库仑势傅立叶 展开中只剩下短波成分了，即
vv
V短程
v r
4e2
vv
eiqgr
振荡频率：
2＝
0
4 e
m
2
0
③ 式中不能出现 h ，是经典频率
等离子体频率：
2＝
PL
4 e2
m
0
④ 元激发稳定。
大学本科高分子物理第二章《聚合物的凝聚态结构》课件
===90
Three perpendicular two-fold rotation axis
Monoclinic
a bc ==90; 90One two-fold rotation axis
Triclinic
a bc 90
None
a,b,c – unit vectorial distances
第二章 聚合物的凝聚态结构
本章课时 6
1
固体
凝聚态为物质的物理状态
液体
气体
晶态 液态
相态为物质的热力学状态
气态
高分子凝聚态是指高分子链 之间的几何排列和堆砌状态
液体 固体 液晶态
取向结构
晶态 非晶态
织态结构
2
高分子的 凝聚态结构
决 聚合物的基本 决 定 性能特点 定
材料的 性能
控制成型 加工条件
=bc;= ac;= ab
20
Structure of PE、PP crystal cell
左图：PE的晶体结构 上图：PP的晶体结构
21
晶胞密度求解
c
MZ N AV
M是结构单元分子量；
Z为单位晶胞中单体(即链结构单元)的数目；
V为晶胞体积；
NA为阿佛加德罗常数
22
2.2.2聚合物的结晶形态（晶体的外形）
24
Maltese Cross in Isotactic Polystyrene
偏光显微镜照片
25
Maltese Cross的形成原因
26
Maltese Cross
27
电镜观察的球晶结构
Spherulite model and the Microscopy of PE spherulite 球晶模型及PE球晶的电镜照片
聚合物的凝聚态结构课件
随后陆续发现聚甲醛、尼龙、聚脂等单晶。
PE单晶
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螺旋生长
10
单晶的概念:
在极稀(浓度约0.01%)的 聚合物溶液中，极缓慢冷 却时生成具有规则外形的、 在电镜下可观察到的片晶， 并呈现出单晶特有的电子 衍射图。聚合物单晶的横 向尺寸几微米到几十微米， 厚度10nm左右。单晶中高 分子链规则地近邻折叠， 形成片晶。
第二章 聚合物的凝聚态结构
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1
固体
凝聚态为物质的宏观 物理状态
液体
气体
高分子凝聚态指高分子链之间 的几何排列和堆砌状态
相态为物质的热 力学状态
液体 固体 液晶态
晶态 非晶态
取向结构
晶态 液态 气态
不存在 气态
织态结构
意义：高分子链结构决定的聚合物的基本性能特点，而凝聚态 结构与材料的性能有着直接的关系。
1. 缨状模型
结晶高聚物中，晶
区与非晶区互相穿插，同
时存在，在晶区中分子链
互相平行排列形成规整的
结构，通常情况是无规取
向的；非晶区中，分子链
的堆砌是完全无序的。
这是一个两相结构模型，即具有规则堆砌的微晶(或胶 束)分布在无序的非晶区基体内。
这一模型解释了聚合物性能中的许多特点，如晶区部分具
有较高的强度，而非晶部分降低了聚合物的密度，提供了
➢它对聚合物的力学性能、密度、光学性质、热性质、耐溶 剂性、染色性以及气透性等均有明显的影响。
➢结晶度的提高，拉伸强度增加，而伸长率及冲击强度趋于 降低；相对密度、熔点、硬度等物理性能也有提高。
➢冲击强度不仅与结晶度有关，还与球晶的尺寸大小有关， 球晶尺寸小，材料的冲击强度要高一些。
➢结晶聚合物通常呈乳白色，不透明。如聚乙烯、尼龙。
PE单晶
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螺旋生长
10
单晶的概念:
在极稀(浓度约0.01%)的 聚合物溶液中，极缓慢冷 却时生成具有规则外形的、 在电镜下可观察到的片晶， 并呈现出单晶特有的电子 衍射图。聚合物单晶的横 向尺寸几微米到几十微米， 厚度10nm左右。单晶中高 分子链规则地近邻折叠， 形成片晶。
第二章 聚合物的凝聚态结构
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1
固体
凝聚态为物质的宏观 物理状态
液体
气体
高分子凝聚态指高分子链之间 的几何排列和堆砌状态
相态为物质的热 力学状态
液体 固体 液晶态
晶态 非晶态
取向结构
晶态 液态 气态
不存在 气态
织态结构
意义：高分子链结构决定的聚合物的基本性能特点，而凝聚态 结构与材料的性能有着直接的关系。
1. 缨状模型
结晶高聚物中，晶
区与非晶区互相穿插，同
时存在，在晶区中分子链
互相平行排列形成规整的
结构，通常情况是无规取
向的；非晶区中，分子链
的堆砌是完全无序的。
这是一个两相结构模型，即具有规则堆砌的微晶(或胶 束)分布在无序的非晶区基体内。
这一模型解释了聚合物性能中的许多特点，如晶区部分具
有较高的强度，而非晶部分降低了聚合物的密度，提供了
➢它对聚合物的力学性能、密度、光学性质、热性质、耐溶 剂性、染色性以及气透性等均有明显的影响。
➢结晶度的提高，拉伸强度增加，而伸长率及冲击强度趋于 降低；相对密度、熔点、硬度等物理性能也有提高。
➢冲击强度不仅与结晶度有关，还与球晶的尺寸大小有关， 球晶尺寸小，材料的冲击强度要高一些。
➢结晶聚合物通常呈乳白色，不透明。如聚乙烯、尼龙。
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目前，除晶态物理外，凝聚态物理还包括：表面物理、 非晶态物理、高分子物理、凝聚态共性体系、界面物理、 低维物理、半导体物理、介质晶体物理、超导和低温物 理等重要分支。
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二、凝聚态物理的发展
1. 凝聚态物理的发展简史
下面，以编年史的形式，介绍在凝聚态物理学发展中 的一些大事件，从而跟踪凝聚态物理的发展进程。
1915年，诺贝尔物理学奖授 予亨利. 布拉格和劳伦斯. 布拉 格，以表彰他们用 X 射线对晶 体结构的分析所作的贡献。
1916年，德拜提出X射线粉末衍射法， 用以鉴定样品的成分，并可以确定晶胞的 大小。
由于在X射线衍射和分子偶极矩理论方 面的杰出贡献，德拜获得 1936 年诺贝尔 化学奖。
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目前，利用能带理论已经可以对晶体特性参量根据第
一性原理进行从头计算，计算结果的准确性非常令人满
意。而这样的理论计算，又可以作为进一步发展材料的
依据。
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1931年，威尔逊提出了固体导电的量子力学模型，并 预言介于金属和绝缘体之间存在半导体，为半导体的发 展提供了理论基础。
1932年，威尔逊提出了杂质（及缺陷）能级的概念， 这是认识掺杂半导体导电机理的重大突破。
上页 目录 1下6 页
1985年，柯尔、斯莫利和克罗特发现了具有足球状的 碳分子——富勒烯。
1996年，诺贝尔化学奖授予富勒烯的三 位发现者——柯尔、斯莫利和克罗托。
除富勒烯分子外，人们还 发现全部由碳原子构成的一 些其它的稳定结构。
例如，1991年发现由240个 碳原子构成巴基管。
富勒烯的发现，广泛地影响到物理学、化 学、材料学、电子学、生物学、医药科学各 个领域，显示出有巨大的潜在应用前景。
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二、凝聚态物理的发展
1. 凝聚态物理的发展简史
下面，以编年史的形式，介绍在凝聚态物理学发展中 的一些大事件，从而跟踪凝聚态物理的发展进程。
1915年，诺贝尔物理学奖授 予亨利. 布拉格和劳伦斯. 布拉 格，以表彰他们用 X 射线对晶 体结构的分析所作的贡献。
1916年，德拜提出X射线粉末衍射法， 用以鉴定样品的成分，并可以确定晶胞的 大小。
由于在X射线衍射和分子偶极矩理论方 面的杰出贡献，德拜获得 1936 年诺贝尔 化学奖。
上页 目录 下页9
目前，利用能带理论已经可以对晶体特性参量根据第
一性原理进行从头计算，计算结果的准确性非常令人满
意。而这样的理论计算，又可以作为进一步发展材料的
依据。
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1931年，威尔逊提出了固体导电的量子力学模型，并 预言介于金属和绝缘体之间存在半导体，为半导体的发 展提供了理论基础。
1932年，威尔逊提出了杂质（及缺陷）能级的概念， 这是认识掺杂半导体导电机理的重大突破。
上页 目录 1下6 页
1985年，柯尔、斯莫利和克罗特发现了具有足球状的 碳分子——富勒烯。
1996年，诺贝尔化学奖授予富勒烯的三 位发现者——柯尔、斯莫利和克罗托。
除富勒烯分子外，人们还 发现全部由碳原子构成的一 些其它的稳定结构。
例如，1991年发现由240个 碳原子构成巴基管。
富勒烯的发现，广泛地影响到物理学、化 学、材料学、电子学、生物学、医药科学各 个领域，显示出有巨大的潜在应用前景。
高分子物理-第二章-高分子凝聚态ppt课件.ppt
子链伸展并沿流动 方向平行排列。
Row nucleation
(4) 串晶 Shish-kebab structure
较低温度下， 边结晶边搅拌
PE
i-PS
(5) 伸直链晶
聚合物在高压 和高温下结晶 时，可以得到 厚度与其分子 链长度相当的 晶片
Extended chain crystal of PE Needle-like extended chain crystal of POM
球晶结构示意图
环带球晶
聚乙烯
偏光显微镜下球晶的生长
聚乙烯在125℃等温结晶
球晶的生长过程
控制球晶大小的方法
球晶的大小对性能有重要影响：球晶大透明性差、 力学性能差，反之，球晶小透明性和力学性能好。
（1） 控制形成速度：将熔体急速冷却，生成较小 的球晶；缓慢冷却，则生成较大的球晶。 （2）采用共聚的方法：破坏链的均一性和规整性， 生成较小球晶。 （3）外加成核剂：可获得小甚至微小的球晶。
《2》折叠链模型 （50年代 A。Keller提出）
实验现象：电子显微镜观察到几十微米范围的PE单晶 测得晶片厚度约为100A，且与分子量无关 X衍射还证明分子主链垂直晶片平面
提出模型：分子链规则地折叠形成厚100A的晶片 晶片再堆砌形成片晶
可以解释：片晶、球晶的结晶形态 不能解释：单晶表面密度比体密度低
nl = 2dhklsinq
n=1, 2, 3, …称为衍射级数
q为衍射角
多晶样品的衍射花样
样品
铝箔的X-射线和电子射线衍射花样
X-射线衍射花样
电子射线衍射花样晶体样品的 Nhomakorabea射曲线2.1.2 聚合物在晶体中的构象
等同周期(或称纤维周期)：高分子晶体中， 在 c 轴方向化学结构和几何结构重复单元 的距离。
Row nucleation
(4) 串晶 Shish-kebab structure
较低温度下， 边结晶边搅拌
PE
i-PS
(5) 伸直链晶
聚合物在高压 和高温下结晶 时，可以得到 厚度与其分子 链长度相当的 晶片
Extended chain crystal of PE Needle-like extended chain crystal of POM
球晶结构示意图
环带球晶
聚乙烯
偏光显微镜下球晶的生长
聚乙烯在125℃等温结晶
球晶的生长过程
控制球晶大小的方法
球晶的大小对性能有重要影响：球晶大透明性差、 力学性能差，反之，球晶小透明性和力学性能好。
（1） 控制形成速度：将熔体急速冷却，生成较小 的球晶；缓慢冷却，则生成较大的球晶。 （2）采用共聚的方法：破坏链的均一性和规整性， 生成较小球晶。 （3）外加成核剂：可获得小甚至微小的球晶。
《2》折叠链模型 （50年代 A。Keller提出）
实验现象：电子显微镜观察到几十微米范围的PE单晶 测得晶片厚度约为100A，且与分子量无关 X衍射还证明分子主链垂直晶片平面
提出模型：分子链规则地折叠形成厚100A的晶片 晶片再堆砌形成片晶
可以解释：片晶、球晶的结晶形态 不能解释：单晶表面密度比体密度低
nl = 2dhklsinq
n=1, 2, 3, …称为衍射级数
q为衍射角
多晶样品的衍射花样
样品
铝箔的X-射线和电子射线衍射花样
X-射线衍射花样
电子射线衍射花样晶体样品的 Nhomakorabea射曲线2.1.2 聚合物在晶体中的构象
等同周期(或称纤维周期)：高分子晶体中， 在 c 轴方向化学结构和几何结构重复单元 的距离。
凝聚态物理学PPT
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
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 ~粒子间距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
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
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
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
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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：
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：
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
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
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
Hale Waihona Puke 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
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
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凝聚态物理学
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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
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。
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 ~粒子间距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
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