凝聚态物理导论00
凝聚态物理专业硕士研究生专业必修课程 《凝聚态物理导论》教学大纲
适用于何方向、是否学位课程： 必修课程。
考核方式： 考试
参考书目： 非线性光学，费浩生编 非线性光学，过已吉编 非线性光学，沈元壤著
SB1307020504
凝聚态物理专业硕士研究生专业必修课程
《高等量子力学》教学大纲
教学目标： 本课程是理论物理的基础理论课，学生在本科学习理论物理的基础上，将量子
与迭代方法思想，会画简单费曼图和做微扰计算。
预修课程： 量子力学
适用于何方向、是否学位课程： 选修课程。
考核方式： 考查
参考书目： 韩其智、孙洪洲编著（群论） 陈金全著（群表示论的新途径） 马中骐戴安英编著（群论及其在物理中的应用） B. G. Wybourne, Classical Grcups for Physicists. 中译本(典型群及其在物 理学上的应用)冯承天等译 R. Gilmore: Lie groups Lie algebras and Some of their Applications 刘辽:李群和李代数简介
教学要求： 1、晶体结构的类型及其对称性的分析，倒格子的概念及态的描述；2、掌握晶格振动理论，
并用之解释晶格的声学波和光学波及热传导等；3、能带论是本课程的核心，对不同的晶体结构 或材料，建立不同的电子结构模型，计算出本征值和本征态；4、利用电导理论解释材料电阻的 温度特性、杂质散射等；5、简单地了解超导电性和半导体电子论的基本性质。 预修课程：
SB1307020501
凝聚态物理专业硕士研究生专业必修课程 《凝聚态物理导论》教学大纲
教学目标： 凝聚态物理学已成为当代物理学中最重要和最丰富的分支学科。该课程主要使学生了
解凝聚态物理的研究内容和研究方法。
凝聚态物理导论
凝聚态物理导论凝聚态物理是物理学中的一个重要分支，研究的是固体和液体等宏观物质的性质和行为。
在这篇文章中，我们将介绍凝聚态物理的基本概念和原理，以及它在各个领域中的应用。
第一部分：凝聚态物理的基本概念和原理1. 凝聚态物理的定义凝聚态物理是研究宏观物质的性质和行为的学科，涉及到固体、液体和柔软物质等多种形态。
相比于粒子物理学和原子物理学等研究微观粒子的学科，凝聚态物理更加关注物质的集体行为和性质。
2. 固体的基本特性固体是一种具有定形和定秩序的物质形态。
它的分子或原子之间有着强烈的相互作用力，因此固体具有稳定性和刚性。
凝聚态物理的研究对象之一就是固体的结构和性质。
3. 液体的基本特性液体是没有定形但具有一定体积和质量的物质形态。
相比于固体，液体的分子之间的相互作用力较弱，因此具有流动性。
液体的性质的研究也是凝聚态物理的重要内容之一。
4. 凝聚态物理的基本原理凝聚态物理的研究依赖于量子力学和统计物理学的基本原理。
量子力学提供了研究微观粒子的理论框架，而统计物理学则通过平均值和概率分布等统计方法来描述宏观物质的行为。
第二部分：凝聚态物理在各个领域中的应用1. 材料科学与工程凝聚态物理在材料科学与工程领域中有着广泛的应用。
通过研究和理解固体的结构和性质，科学家们能够设计出新型材料，如高温超导材料和半导体材料，以应用于电子器件和能源领域。
2. 凝聚态物理与电子学凝聚态物理对电子学的发展有着重要的推动作用。
例如，固体中的电子行为与材料的导电性密切相关，凝聚态物理的研究为发展更高性能的电子器件提供了理论依据。
3. 凝聚态物理与纳米科学随着纳米科学的快速发展，凝聚态物理在纳米材料和纳米器件的研究中发挥着关键作用。
通过调控材料的结构和尺寸，科学家们可以实现对材料性质的精确控制，从而设计出具有特殊功能的纳米材料。
4. 凝聚态物理与生物物理学凝聚态物理的原理和方法在生物物理学中也有广泛的应用。
研究凝聚态生物物质，如蛋白质和细胞膜等，可以揭示生物体内重要的结构和功能，对于理解生物过程和疾病治疗具有重要意义。
凝聚态物理导论
一，超导储能与输电 二，超导故障电流限制器 三，高温超导电机 四，高温超导变压器 五，超导悬浮列车
约瑟夫森
弱电领域的应用主要根据超导体的 Josephson效应。
主要产品有超导计算机、超导量子干涉仪（SQUID） 超导微波器件、超导天线、高温超导滤波器件 电子对通过两块超导金属间 无损检测等。
超导历史简介
在 1985 年之前，人们发现的最高的超导转变温度的超 导体为 Nb3Ge，它的超导转变温度为 23K。 1986 年，超导转变温度大于 23K 的 LaBaCuO 体系被 发现，它的超导转变温度为 35K。 在 1987 年，高于液氮温度(77K)的超导体 YBa2Cu3O7 被发现了，且它的超导转变温度为93K这之后，大量的 铜氧化物超导体被发现 2008 年，铁基材料在 O 位掺杂 F 发现其具有超导电性。 这一现象的出现又一次引发了世界范围内有关研究超导体 的热潮。
温度和其原子核外电子排布的关系发现平均原子价电 子数（R）稍小于5时，超导转变温度趋向于达到最大 值。但是最近发现过渡金属及其化合物还有锝（Tc） 却有更高的R值。
文献目的：解释这种异常现象，使得理论可以包含解
释最近发现的化合物、合金和金属。
相关文献阅读
科学家首先发现元素锝有接近11K的超导 转变温度，然后意识到R值稍小于5时超导 转变值最大是不合理的。因为Tc的R值为7
Meissner
超导历史简介
1957 年，巴丁（J. Bardeen）、库珀（L. V. Cooper）和 施里弗（J. R. Schrieffer）从大量的实验中发现了影响超导电性 的物理规律，并建立了著名的 BCS 理论。
他们认为：电子在晶格中 移动时会吸引邻近格点上的正 电荷导致格点的局部畸变，形 成一个局域的高的正电荷区域。 这个局域的高的正电荷区 域会吸引自旋相反的电子，和 原来的电子以一定的结合能相 结合形成所谓的“copper”对。 在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量。 这样，“copper”对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻， 形成所谓“超导”。 在很长一段时间内，BCS 理论成功推出了大多数超导体的许多性质。
凝聚态物理导论-中科院课件-苏刚Chapter4
The ground-state wavefunction of the many-body interacting electrons in condensed matter is unimaginably complicated and rather interesting. It is also impossible to get an exact solution in absolutely most cases. Then, how to describe the responses of the solids (condensed matter) to experimental probes such as photons, beams of atoms or ions, the electrons emerging from an STM tip, or changes in temperature? What determines the electrical or thermal transport properties of solids (condensed matter) ? All these questions are beyond the scope of a ground-state theory.
Note that the use of term quasiparticle seems to be ambiguous. Some authors use the term in order to distinguish them from real particles, others (including author of the above passage) to describe an excitation similar to a single particle excitation as opposed to a collective excitation. Both definitions mutually exclude each other as with the former definition collective excitations which are no "real" particles are considered to be quasiparticles. The problems arising from the collective nature of quasiparticles have also been discussed within the philosophy of science, notably in relation to the identity conditions of quasiparticles and whether or not they should be considered "real" by the standards of, for example, entity realism.
凝聚态物理导论
凝聚态物理导论陆小力EMAIL：xllu@电话：158********办公室：东大楼，208A1预备知识:固体物理+量子力学学习目标：两个深化+两个面向•方法上: 固体(多体)理论•体系上：凝聚态物理•面向学科发展前沿•面向实际体系2, 北京大学出版社, 上海科学技术出版社第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章第九章第十章第十一章第十二章第十三章成绩平时成绩（20％）＋考试成绩（80％）平时成绩：考勤+projectProject 报告（命题阅读报告，基于阅读多篇文献后的读书报告）口头ppt+报告电子版word期末考试：闭卷7凝聚态物理从微观角度出发,研究相互作用多粒子系统组成的凝聚态物质(固体和液体)的结构和动力学过程, 及其与宏观物理性质之间关系的一门科学.凝聚态物理的重要性(1)它为力学,流体力学,电子学,光学,冶金学及固态化学等经典科学提供了量子力学基础.(2)它为高技术的发展作出了巨大贡献. 如它是晶体管,超导磁体,固态激光器, 高灵敏辐射能量探测器等重大技术革新的源头. 对通信,计算以及利用能量所需的技术起着直接的作用, 对非核军事技术也产生了深刻的影响.810(1922.7.18-1996.6.17)121.1 范式1.什么叫范式? (Paradigm)An example that serves as pattern or model.样式作为样本或模式的例子2.学科的范式联贯的理论体系一个学科的成熟以其范式的建立为标准范式对学科从整体上把握有重要意义133. 学科发展的范式科学的演化是经过不同阶段循环发展的过程。
1.前范式阶段(pre-paradigm)2.常规科学阶段(normal science)3.反常阶段(anomaly)4.危机阶段(crisis)5.科学革命阶段(scientific revolution)6.新范式阶段(new paradigm).科学发展过程中，范式的转换构成了科学革命。
物理类导论：凝聚态物理与现代科学技术
凝聚态物理学的发展历史
❖ 1925-26年建立了量子力学； ❖ 1926年 建立了费米-狄拉克统计； ❖ 1927年 建立了布洛赫波的理论； ❖ 1928年 索末菲提出能带的猜想； ❖ 1929年 派尔斯提出禁带,空穴的概念；同年贝特提出了费米面的
概念。
— 1984 年发现准周期结构以及分形结构中波的传播都存在一些 新现象。
— 在低温下考虑波的相干性,电输运现象会出现一些新结果,在介 观物理领域中观测到一系列反映量子相干性的效应。
❖ 1970-80年,凝聚态物理学的诞生
凝聚态物理学的基本概念
❖ 原子中的电子
2 p12,
3 2
2s
1s
原子中的电子能级
凝聚态物理与现代科学技术
凝聚态是什么
非洲之星
❖ 所谓“凝聚态”，指的是由大量粒子组成，并且粒子 间有很强相互作用的系统。
— 自然界中存在着各种各样的凝聚态物质。固态和液态是最常 见的凝聚态。
o 固体：单晶体、多晶体、非晶体、准晶体、复合材料 o 液体：单相液体、液晶、低温下的超流态，超导态，玻色- 爱因
❖ 固体激光器与光通讯
— 光放大器
Loss (dB/km)
1.2
latent loss
1.0
loss
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
Wavelength (nm)
凝聚态物理学与现代科学技术
❖ 压电晶体及其应用
— 有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端 就会产生不同的电荷。
eV
反向偏压
凝聚态
凝聚态物理导论书面报告学院：物理科学与技术学院专业：物理电子学姓名：李晓果学号：31646044周期和准周期中波的传播1.晶体中的电子1.1自由电子气模型如果周期势很弱假设0)(=r V ,则晶体中电子的定态方程)r ()r ()](2[22ψψE r V m=+∇- 的平面波解为r k i k e r ⋅-Ω=2/1)(ψ其中Ω是晶体的体积,此时的色散关系为k m E 222)k ( =对于具有N 电子的系统可以用波失k 来表征其状态。
这里我们引入费米面的概念，在k 空间中有这样一个表面，位于表面内的所有状态都被填满，在他之外的所有状态都是空的，费米面的能量为费米能)(F F k E E =这里F k 为费米波失，只有T=0时F k 才严格确定。
由自由电子近似很容易求出费米波失和费米能，首先⎰∑Ω==k d N k3)2(2π，式子中因子2来自于电子自旋的简并度又由于3/43F k k d π=⎰ ,我们可以得到312)3(Ω=N k F π和3222)3(2Ω=N m E F π ,由色散关系我们可以知道电子能量依赖于波失k ，事实上由于周期性势存在，任何态都可以用简约波失来表征。
1.2近自由电子近似模型模型认为金属中价电子在一个很弱的周期场中运动，价电子的行为很接近于自由电子，又与自由电子不同。
这里的弱周期场设为()V x ∆，可以当作微扰来处理，即：零级近似时，用势场平均值V 代替弱周期场V (x )；所谓弱周期场是指比较小的周期起伏[()]()V x V V x -=∆做为微扰处理。
零级近似下，电子只受到V作用，波动方程及电子波函数，电子能量分别为：20000202202()2ikx k k d V E m dx x k E V mψψψψ-+===+由于晶体不是无限长而是有限长L，因此波数k 不能任意取值。
当引入周期性边界条件，则k 只能取下列值：2k l Na π=，这里l 为整数。
凝聚态物理导论-讲稿-朱俊
凝聚态物理导论-讲稿-朱俊《凝聚态物理导论》讲稿授课学时：56授课班级：2007级本科任课教师：朱俊教师职称：教授教师所在学院：微固学院电⼦科技⼤学2010年3⽉第⼀章前⾔⼀、什么是凝聚态物理？1、凝聚态及凝聚态物理（了解的内容）（1）、凝聚态：是固态和液态的通称；凝聚态物理学是研究固体和液体的基础科学。
此外，凝聚态物理学还研究介于固、液两态之间的物态（例如液晶、玻璃、凝胶等）、稠密⽓体和等离⼦体，以及只在低温下存在的特殊量⼦态（超流体、BEC即波⾊—爱因斯坦凝聚体等）。
所有这些状态构成了所谓的物质的凝聚态。
凝聚态物理学：是从微观⾓度出发，研究由⼤量粒⼦（原⼦、分⼦、离⼦、电⼦）组成的凝聚态的结构、动⼒学过程及其与宏观物理性质之间的联系的⼀门学科，是以固体物理为基础的开拓、延伸和深化。
要点：区分固体物理和凝聚态物理的学科内涵。
（2）、凝聚态物理的⾥程碑——历史的回顾：从凝聚态物理发展的轨迹，看到⼀个学科成长、成熟的过程，是和物理、材料的发展及器件的需求紧密相联的。
诺贝尔物理奖的情况：1948－1967年的20次奖中，凝聚态物理得奖2次1968－1987年的20次奖中，凝聚态物理得奖8.5次，占三分之⼀多。
2、凝聚态物理研究范畴（1）、研究对象：除晶体、⾮晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密⽓体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、熔盐、液态⾦属、电解液、玻璃、凝胶等。
（2）、特点：⼀⽅⾯传统的固体物理各个分⽀如⾦属物理、半导体物理、磁学、低温物理和电介质物理等的研究更深⼊，各分⽀之间的联系更趋密切；另⼀⽅⾯许多新的分⽀不断涌现，如强关联电⼦体系物理学、⽆序体系物理学、准晶物理学、介观物理与团簇物理等。
要点：凝聚态物理关注基础性和前沿性；涉及新技术、新材料、新器件。
（3）、研究范围：研究凝聚态物质的原⼦之间的结构、电⼦态结构以及相关的各种物理性质。
长度：⼏⽶到零点⼏纳⽶；时间：⼏年到⼏飞秒；能量：从⼏千开到纳开（以绝对温度标志）；粒⼦数：通常在1027～1021（接近热⼒学极限）；范围⼴，感官可直接觉察或⽤各种显微术表征。
凝聚态物理导论-中科院课件-苏刚Chapter7
Heike Kamerlingh Onnes
பைடு நூலகம்
Brief history of discovery of superconductors
1911: Superconductivity with Tc=4.2 is observed in solid mercury by H.K. Onnes. 1911-1975: Superconductivity observed in several metals and alloys. Their properties are well described by BCS theory and its strong-coupling extension, Migdal-Eliashberg theory. The increase of the critical temperature with time is linear. Semi-empirical arguments suggest that Tc cannot be raised above 25 K. 1957: The Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theory is formulated: superconductivity is caused by the condensation of pairs of electrons (Cooper pairs), which are held together by an attractive force provided by phonons. 1986: Bednorz and Mueller observe superconductivity with a Tc of 35 K in LaBaCuO. 1987: A Tc of 92 K, i.e. above the freezing point of nitrogen, is observed in YBCO. Bednorz and Mueller receive the Nobel prize. In the next few years, even higher Tc's are observed in other cuprates. It is very soon realized that cuprates do not believe like standard e-ph superconductors, but a consistent theoretical picture of their properties is still missing. 1991: Superconductivity with Tc up to 40 K is observed in alkali-doped fullerenes (A3C60), i.e. molecular solids of carbon. An extensive study of their properties can be found.
凝聚态物理学导论及金属自由电子气体模型
• 阎守胜 编著 《固体物理基础》(第 二版)北京大学出版社，2003
教材与参考书目
课外读物
• P. W. Anderson, Concepts in Solids, World Scientific, 1977 • 文小刚 著， 胡滨 译，《量子多体 理论》，高等教育出版社，2004
人类历史是以人类理解和控制凝聚态 材料的进程来命名的：石器时代，青 铜时代，黑铁时代，高分子时 代？... ...
如果我们已经知道了自然界的 一切基本定理，知道了所有的基本粒 子。使用这一些知识，我们能够理解 我们日常所见的物理现象吗？比如说 黄金能导电，而塑料是绝缘体？为什 么液体具有流动性，而固体具有刚性？ 等等
上世纪下半叶开始了凝聚态物理的时凝聚态物理的前身是固体物理研究波在周期结构中的传播bloch定理光子晶体声子晶体位形空间与动量空间的凝聚相变对称性破缺序参量守恒定律气液相变液固相变临界点连续对称性破缺与弹性的起源理想聚合物的生长在空间上是各向同性的
凝聚态物理学导论
望文生意，凝聚态物理是做什么的？
重要性
主要参考书
• P. M. Chaikin & T. C. Lubensky, Principles of condensed matter physics, Cambridge University Press, 1995
教材与参考书目
• 陆坤权 刘寄星 主编《软物质物理 学导论》北京大学出版社， 2006
金属自由电子气体模型
单位体积自由电子气体的基态能量由
费米球内所有单电子能级能量相加得
凝聚态物理导论
锂离子电池电极材料研究人类使用电源的历史最早可以追溯到1800年意大利科学家V olta发明的伏打电堆，1859年法国科学家Plante研制成功了铅酸蓄电池，此后化学电源的发展进入飞速阶段，1868年法国人Ledanché发明了以NH4Cl为电解液的MnO2一Zn原电池，1899年瑞典人Jiinger发明了Ni一cd蓄电池。
进入20世纪以后，随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，对电源的性能提出了越来越高的要求，促使化学电源不断向小型化、高能量、长寿命、无污染的方向发展。
1954年美国贝尔实验室的科研人员发现硅基半导体材料具有很高的光电转换效率，并在此基础上设计了太阳能电池。
20世纪60年代美国航空航天局(NASA)为登月计划成功的设计了氢氧燃料电池，随后70年代的能源危机又进一步推动了该类电池的发展，可以使用其它有机燃料来代替氢气。
20世纪80年代末，由储氢材料取代Ni一Cd蓄电池中的镉负极而诞生的Ni一MH电池以其高容量、无记忆效应等优势引起关注，而自90年代日本索尼(Sony)公司率先推出商品化锂离子电池以后，该技术又开始在世界范围内以惊人速度向规模化和产业化的方向发展，现在锂离子电池己基本完全占领了手机和便携式数码产品的电池市场。
1. 锂离子电池工作原理锂离子电池采用两种能够可逆地嵌入脱出锂离子的材料作为正极和负极，并配以适当的电解液构成电池体系。
电池充电时，Li+从正极化合物中脱出并嵌入负极晶格，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱出并嵌入正极，正极处于富锂态。
从充放电反应的可逆性看，锂离子电池是一种理想的可逆反应电池。
这种充、放电过程类似摇椅的往复运动，故锂离子电池又称摇椅电池（Rocking Chair Batteries，简称RCB）。
锂离子电池的主要结构部分有正极、负极、能传导锂离子的电解质以及把正负极隔开的隔离膜。
其基本结构与工作原理如图1 所示。
图1 锂离子电池工作原理示意图以LiCoO2作为正极，C作为负极为例，其充电电极反应可表示为:正极: LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + Li + + xe -负极: C + xLi + + xe - → Li x C总反应: LiCoO 2 + C → Li 1-x CoO 2 + Li x C2. 锂离子电池的主要特点目前商用锂离子电池与其它类型的二次电池相比，锂离子电池具有明显的优点:1）工作电压较高（约3.6 V ），是Ni-Cd 和Ni-MH（1.2 V ）电池的3倍。
凝聚态导论知识点总结
凝聚态导论知识点总结一、凝聚态物质概述凝聚态物质是指在常温常压下存在的物质状态，包括固体和液体。
固体具有固定的形状和体积，分子之间的距离较小，分子排列有序；液体具有固定的体积但没有固定的形状，分子之间的距离较大，分子排列无序。
二、固体的结构和性质1. 晶体结构：晶体是由具有三维周期性排列的原子、离子或分子构成的固体。
晶体的结构可以通过晶体学来描述，常见的晶体结构有立方晶系、四方晶系、六方晶系等。
2. 晶格常数：晶体的晶格常数是描述晶体结构的重要参数，它指的是晶胞的尺寸，常用a、b、c表示。
3. 晶体缺陷：晶体中存在各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
这些缺陷会对晶体的性质和行为产生重要影响。
4. 固体的力学性质：固体的力学性质包括弹性性质、塑性性质和断裂性质等。
这些性质与固体的内部结构和原子间相互作用密切相关。
三、液体的结构和性质1. 流动性：液体具有流动性，这是由于分子之间的相互作用较弱，分子可以相对自由地移动。
2. 表面张力：液体的表面上的分子受到内部分子的吸引力，使得液体表面呈现紧致的状态，形成表面张力。
3. 黏度：液体的黏度是指液体流动时所表现出的阻力大小，与液体的粘性有关。
4. 液晶：液晶是介于液体和固体之间的一种物质状态，具有介于有序固体和无序液体之间的特性。
四、相变和相图1. 相变：物质在一定条件下可以从一种状态转变为另一种状态，这种转变称为相变。
常见的相变有固态到液态的熔化、液态到气态的汽化等。
2. 相图：相图是描述物质在不同条件下各相存在的范围和相变的温度、压力关系的图形表示。
常见的相图有水的三相图和铁的铁-铁碳相图等。
五、凝聚态物理中的重要概念和现象1. 电子能带理论：电子能带理论描述了固体中电子的能级分布情况，解释了固体的导电性和绝缘性等现象。
2. 超导现象：超导是指某些物质在低温下具有零电阻和完全排斥外磁场的特性。
超导现象在科学和工程领域有重要应用。
3. 磁性现象：磁性是物质在外磁场下表现出的各种现象，包括顺磁性、抗磁性和铁磁性等。
凝聚态物理导论-中科院课件-苏刚Chapter5
Chapter 5 Fundamentals of Transport TheoryIt is the description of the conduction of electricity and heat in metals.§5.1 Boltzmann equationLudwig Eduard Boltzmann(February20, 1844 –September 5, 1906) was anAustrian physicist famous for his foundingcontributions in the fields of statisticalmechanics and statistical thermodynamics.He was one of the most importantadvocates for atomic theory when thatscientific model was still highlycontroversial./wiki/Ludwig_BoltzmannIn general, the distribution function of electrons is affected by the external magnetic field, the temperature gradient, scatterings by impurities, phonons, defects, other electrons, etc.In a steady state, there is no change in f, and the above equation vanishes.Boltzmann equation.In the presence of an external electric field εand an external magnetic field B,The diffusion term from the temperature gradient isVelocity of an electron wave packet centered at k.Up to now, we do not consider the distribution of phonons. As theelectron and phonon systems are coupled, the distribution function of phonons satisfiesIn most cases, for electron systems the phonon distribution is assumed to be in the thermal equilibrium. So, we shall not consider the above equation.The electric current density isThe heat current Q isenergyIt can be seen that if we get the form of scattering (collision) term, we may put it into the Boltzmann equation (BE), and solve BE to find f(k,r). Then, we can get electric and heat currents.(i)(ii)(i)(ii)This equation is inserted into the BE, and you will find that it is a nonlinear integral equation for the distribution function, which is difficult to solve.Suppose that the external fields and temperature gradients are small. Then we can get a solution of BE.Auxiliary function直接微分即可得到。
凝聚态物理导论-中科院课件-苏刚chapter1
Energy and length scales:
<10-17 m
10-15 m
a few times 10-15 m
10-10 m
10-9 ~10-6m
100 m
quark
proton
nuclear
atom, molecule, cluster
solid
>100 GeV
Ultra high energy physics
Chapter 1 Introduction §1.1 Preamble Physics is the science that studies the structures of matter and the fundamental laws of motion of matter.
17th century: Newton’s mechanics, gravitation Classical mechanics
States of matter: Gas, liquid, solid, plasma, Bose-Einstein condensation Standard model of Universe:
10-44s
Big bang Separation of gravitation from other forces
10-36s
Separation of weak and strong interactions
10-10s
Separation of weak and electromagnetic forces
10-6s
Quarks incorporated to form hadrons
1012s
凝聚态物理
一）高临界温度超导研究
1．高温氧化超导材料的发现与超导机制的研究
迄今为止，已有5位物理学家由于超导电性的研究而获得诺贝尔奖。他们是：1957年提出BCS超导微观理论的美国物理学家巴丁（J.Bardeen）、库珀（L.N.Cooper）、施里弗（J.R. Schriffer），于 1972年获奖，从理论的提出到获奖时隔 15年； 1960年发现单电子超导隧穿效应的美国物理学家贾埃佛（J.Giaever）；1962年预言约瑟夫森效应的英国物理学家约瑟夫森（B.D.Josephsen），他们时隔11年后，于1973年获奖；1986年，在国际商用机器公司（IBM）苏黎士研究室工作的瑞士物理学家缪勒（K.A.Muller）和他的学生、德国物理学家柏诺兹（J.G.Bednorz）发现Ba-La-Cu-O系统物质的高温超导性，于1987年获奖。他们的这一工作，如此快速地得到了诺贝尔评奖者的承认，这在诺贝尔颁奖历史中是极为罕见的，由此看出柏诺兹和缪勒工作的重要意义。
第三章 对称性及其推论
空间群和点群，点群的不可约表示，不可约表示：平移群和Bloch定理，空间群，时间反演对称性。
第四章 元激发
元激发，声子，准电子，等离激元，激子，极化子。
第五章 输运理论基础
Boltzmann输运方程，杂质散射，电导率，热导率，Wiedenman-Franz定理。
第六章 物质的磁性
原子的磁性，固体的磁性，顺磁性理论，铁磁性理论超导体的电磁学和热力学性质，London唯象理论，Ginzburg-Landau方程，超导态的微观理论，第二类超导体，Josephson隧道效应，高温氧化物超导体。
第八章 量子Hall效应
90年代所兴起的纳米物理学，又成为凝聚态物理的一个新的世界性研究热点。纳米粒子与一般尺度物体相比，在力、热、电磁和光等方面具有显著不同的特性，它们不仅成为未来新材料研究的基础，而且也为人类在认识客观世界上展开了一个新的层次，与此相应兴起了介观物理学的研究。
凝聚态物理导论-中科院课件-苏刚chapter_0
Structure Orderings
Correlations
Symmetry Breaking
Symmetry Breaking 100° C 水沸腾成蒸汽 0° C 水冻结成冰
为什么1023个水分子，单个水分子结构不变、相互作用不变，会 “集体地” 、“不约而同地”从一个相“变”到另一个相呢？“新相”在 “老相”中又如何“孕育” 、“形成” ？ By Prof. Yu Lu
Iron-based high temperature superconductors
SmFeO0.86-xFxAs superconductor
LnOFeAs
BaFe2As2
LiFeAs
FeSe
Chapter 8 Quantum Hall Effect *
IQHE
Klaus von Klitzing
Competition of different interactions Charge Spin
电荷
自旋
Lattice
Orbቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt
晶格
轨道
Complex Phenomena: Emergent
Chapter 1 Introduction
-CMP? -Yea!!! Condensed Matter
is the science of connecting atomicscale physics to the properties of everyday things. The astounding mystery of the subject is contained in ten short words: "the whole is more than the sum of its parts."
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From Complexity to Simplicity (continued) Each stage of reduction is marked by the appearance of quasistable particles which had been mistakenly identified as “elementary” particles. With each stage of reduction, the length scale drastically decreases, while the energy scale drastically increases (see Fig. 1).
(in Chinese),《凝聚态物理学新论》(上海科技出版社)
New systematics was thoroughly discussed and illustrated with various current topics in this field National Award of Science and Technology Progress, 1997, in China
Electromagnetic Force is Ubiquitous
the sole fundamental force responsible for various complicated phenomena in condensed matter physics
3. Historical Track of Scientific Development
A brief overview of condensed matter physics
• The Position of Condensed Matter Physics in Physics • From Solid State Physics to Condensed Matter Physics • The Theoretical Framework of Condensed Matter Physics
Still immense possibilities are waiting to be explored. Coexistence of intellectual challenges and practical rewards
2. Realm of Condensed Matter Physics
Solid State Physics
N. D. Mermin, 1992
“It
is important to establish a graduate course of Solid State Physics between traditional solid state physics and research frontier.”
1. Introduction
one of the most important branches of contemporary physics, characterized by • • • • multitudinous researchers plentiful research results widespread influences on technical developments rapid infiltrations into interdisciplinary areas
those universal elementary laws from which the cosmos can be built up by deduction.”
From Complexity to Simplicity: Reductionist Approach
Gases, Liquids and Solids Decompose Molecules or Atoms Nuclei and Electrons Protons and Neutrons Quarks and Gluons
We have written a book
Introduction to Condensed Matter Physics
Vol. 1
Chinese version was published in October, 2003 English version is planed to be published in 2005
Developed from Solid State Physics but • in face of a large amount of objects • involved in a new conceptual system
An introductory textbook on Condensed Matter Physics is still lacking, due to the incomprehension of basic concepts which should be systematically used to construct the whole building of Condensed Matter Physics
Figure 1
The position in the Physical World Condensed matter physics is a slice from the middle span of whole hierarchy, and in the context of other branches of physics, a subject full of vitality, constituent particles: nuclei and electrons, their interactions are known in principle based on quantum mechanics.
in Department of Physics, Nanjing University. The aim: help graduate students in their first year, majoring solid state physics and material science, to grasp
Basic Concepts in Condensed Matter Physics
Guojun Jin
Nanjing University
Feng Duan and Jin Guojun, 1990
established a graduate course
Introduction to Condensed Matter Physics
Reductionist approach: to reduce complexity into simplicity, then to reconstruct complexity from simplicity A. Einstein, “The supreme test of the physicist is to arrive at
Well-known books on Solid State Physics F. Seitz, 1940
Modern Theory of Solids
C. Kittel, 7 editions, 1953-1996
Introduction to Solid State Physics
N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, 1976
Physical world is hierarchical or stratified, i.e., divided into different layers, each with its quasi-stable constituent particles and elementary interactions. Refer to Fig. 1
A few graduate texts with the title of Condensed Matter Physics A. Isihara, 1991, Condensed
Matter Physics
P. M. Chaikin and T. C. Lubensky, 1995,
Principles of Condensed Matter Physics
This book sketches the outline for conceptual system of Condensed Matter Physics. We are still facing a formidable task to amass enormous amount of material and to fit it into a satisfying theoretical framework for pedagogic purpose.
Obviously, due to the developments of this discipline, this course should, instead of traditional name of solid state physics, be named as condensed matter physics, in order to emphasize the broad extent and new systematics of the subject.
To describe condensed matter is not easy
Large amount of recent discoveries, such as
• • • • • High temperature superconductors Quantum transport in mesoscopic systems C60 molecules and solids Giant and colossal magnetoresistance Realization of Bose-Einstein condensation