凝聚态物理学的基本概念和现代发展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
8
1.3 凝聚态物理学的范围
长度 100cm-10-8cm
能量 1000K-10-9K
时间
粒子数
108s–10-15s 1027-102
图2. 物理学不同分支 学科与所研究结构的 尺度
9
2. 从固体物理学到凝聚态物理学
2.1 科学发展的历史轨迹
→ 复杂性 简单性
还原论者
大块物质 → 分子→ 原子 → 原子核和电子 → 核子等
Protons and Neutrons
Quarks and Gluons
11
四种基本相互作用
类型 强
客体 质子和中子 (介子和胶子)
强度
范围
1-10 10-15-10-14cm
弱 基本粒子衰变和俘获 (W+, W-, 和Z0) 10-10-10-12
10-14cm
电磁
带电粒子 (光子)
10-2
无限
Introduction to Condensed Matter Physics
basic concepts in condensed matter physics
3
凝聚态物理学
一、凝聚物质的结构 二、各种结构中波的行为 三、键、能带及其它 四、相变和有序相 五、临界现象 六、元激发 七、缺陷和织构 八、非平衡现象
各种相互作用 → 四种基本相互作用 →电弱统一 →
强电弱统一→ 大统一
10
Decompose
From Complexity to Simplicity: Reductionist Approach
Gases, Liquids and Solids
Molecules or Atoms
Nuclei and Electrons
C. Kittel, 7 editions, 1953-1996
Introduction to Solid State Physics
N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, 1976
Solid State Physics
20
Three types of wave equations
相对论 宏观世界 Einstein个人，1905，1915 量子论 微观世界 一批物理学家，since 1900
6
1.2 物质世界的层次化
1. 微观方面
原子物理 → 核物理 → 亚核物理
追寻基本粒子, 高能加速器, 一大堆基本粒子
π 强子：质子、中子、 介子、大量共振态粒子
μ 轻子：电子、 子、中微子
2. 宇观方面，对宇宙的探测
弯曲时空,大爆炸,宇宙加速膨胀
近代天文学的实验观测 Hubble红移 3 K 微波辐射，2006Nobel奖 暗能量 占宇宙物质的73%
7
极小与极大两前沿之间有紧密联系 粒子物理提供早期宇宙的考古信息 星球与宇宙是高能物理的巨大实验室
两极之间存在众多的中间层次
图1. 物质结构 的不同层次
引力
所有物体 (引力子)
10-39
无限
12
一场无限平稳的革命
简单性 →复杂性 破缺对称性→层展现象(emergent phenomena)
J. Hollan, Emergence, 1995
超导电性、自旋玻璃、时空相干结构 以及更广泛的学科范围 地质学、生物学、人工智能、经济学等
13
图3. 二类超导体中的磁通点阵
湘潭大学讲座
凝聚态物理学的 基本概念和现代发展
金国钧
2007.11.17
1
凝聚态物理学 当代物理学中最重要的一个分支 具有以下几个特点
• 众多的研究工作者 • 丰富的研究成果 • 对技术发展的广泛影响 • 向交叉领域的迅速渗透
2
Feng Duan and Jin Guojun, Since 1990 established a graduate course
17
2. 固体比热理论 Einstein 独立振子模型 1907 Debye 连续介质模型 1912 Born 和 von Karman 点阵动力学理论 1912
18
3. 电子输运的理论 Drude、Lorentz的金属导电的经典理论 Pauli、Sommerfeld、Fermi的统计理论 Bloch 波的理论 能带理论 1928 Wilson的理论 1931
4. 铁磁性研究 Curie 定律 1895 铁磁-顺磁相变温度 Weiss的分子场理论 1907 Heisenberg的量子理论 1928
19
固体物理学的核心概念
F. Seitz, 1940, “Modern Theory of Solids” L. Brillouin, 1946 “Wave Propagation in Periodic Structure” 电磁波、弹性波、电子波以及自旋波 实空间和倒空间 Brillouin 区
4
提纲
1. 凝聚态物理学在物理学中的位置 2. 从固体物理学到凝聚态物理学 3. 凝聚态物理学中的重要概念 4. 凝聚态物理学和现代科学技术
5
1. 凝聚态物理学在物理学中的位置
1.1 二十世纪物理学的伟大成就
物理学是一门自然科学， 是人类文化的组成部分， 还是技术的基础
Lord Kelvin (1824-1907) M. Thompson 1900年 新年献词 《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》
图4. 自旋玻璃
图5. Benard胞
14
Is complexity Physics? Is it Science? What is it? Complexity is often Physics: Leading edge of Science
---P. W. Anderson (1991)
More is different !
---P. W. Anderson (1972)
15
世界是复杂的， 也是简单的， 但是归根结底 是复杂的， 复杂性导致多样性， 希望寄托在复杂性上
16
2.2 固体物理学的建立
1. 晶体学研究 探明晶体内部原子排列 Kepler (1611) 雪花、微粒堆垛 晶体的对称性理论 19世纪后期，14，32，230 x射线的运动学衍射理论 衍射光栅Hale Waihona Puke BaiduLaue 1912 Bragg方程 x射线的动力学衍射理论 Ewald 及其他人1916-
1 c2
∂2D ∂t 2
+
∇
×
⎛ ⎜
⎝
μ
1 (r)
∇
×
ε
D (r)
⎞ ⎟ ⎠
=
0,
μ(r + l) = μ(r),ε (r + l) = ε (r)
1.3 凝聚态物理学的范围
长度 100cm-10-8cm
能量 1000K-10-9K
时间
粒子数
108s–10-15s 1027-102
图2. 物理学不同分支 学科与所研究结构的 尺度
9
2. 从固体物理学到凝聚态物理学
2.1 科学发展的历史轨迹
→ 复杂性 简单性
还原论者
大块物质 → 分子→ 原子 → 原子核和电子 → 核子等
Protons and Neutrons
Quarks and Gluons
11
四种基本相互作用
类型 强
客体 质子和中子 (介子和胶子)
强度
范围
1-10 10-15-10-14cm
弱 基本粒子衰变和俘获 (W+, W-, 和Z0) 10-10-10-12
10-14cm
电磁
带电粒子 (光子)
10-2
无限
Introduction to Condensed Matter Physics
basic concepts in condensed matter physics
3
凝聚态物理学
一、凝聚物质的结构 二、各种结构中波的行为 三、键、能带及其它 四、相变和有序相 五、临界现象 六、元激发 七、缺陷和织构 八、非平衡现象
各种相互作用 → 四种基本相互作用 →电弱统一 →
强电弱统一→ 大统一
10
Decompose
From Complexity to Simplicity: Reductionist Approach
Gases, Liquids and Solids
Molecules or Atoms
Nuclei and Electrons
C. Kittel, 7 editions, 1953-1996
Introduction to Solid State Physics
N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, 1976
Solid State Physics
20
Three types of wave equations
相对论 宏观世界 Einstein个人，1905，1915 量子论 微观世界 一批物理学家，since 1900
6
1.2 物质世界的层次化
1. 微观方面
原子物理 → 核物理 → 亚核物理
追寻基本粒子, 高能加速器, 一大堆基本粒子
π 强子：质子、中子、 介子、大量共振态粒子
μ 轻子：电子、 子、中微子
2. 宇观方面，对宇宙的探测
弯曲时空,大爆炸,宇宙加速膨胀
近代天文学的实验观测 Hubble红移 3 K 微波辐射，2006Nobel奖 暗能量 占宇宙物质的73%
7
极小与极大两前沿之间有紧密联系 粒子物理提供早期宇宙的考古信息 星球与宇宙是高能物理的巨大实验室
两极之间存在众多的中间层次
图1. 物质结构 的不同层次
引力
所有物体 (引力子)
10-39
无限
12
一场无限平稳的革命
简单性 →复杂性 破缺对称性→层展现象(emergent phenomena)
J. Hollan, Emergence, 1995
超导电性、自旋玻璃、时空相干结构 以及更广泛的学科范围 地质学、生物学、人工智能、经济学等
13
图3. 二类超导体中的磁通点阵
湘潭大学讲座
凝聚态物理学的 基本概念和现代发展
金国钧
2007.11.17
1
凝聚态物理学 当代物理学中最重要的一个分支 具有以下几个特点
• 众多的研究工作者 • 丰富的研究成果 • 对技术发展的广泛影响 • 向交叉领域的迅速渗透
2
Feng Duan and Jin Guojun, Since 1990 established a graduate course
17
2. 固体比热理论 Einstein 独立振子模型 1907 Debye 连续介质模型 1912 Born 和 von Karman 点阵动力学理论 1912
18
3. 电子输运的理论 Drude、Lorentz的金属导电的经典理论 Pauli、Sommerfeld、Fermi的统计理论 Bloch 波的理论 能带理论 1928 Wilson的理论 1931
4. 铁磁性研究 Curie 定律 1895 铁磁-顺磁相变温度 Weiss的分子场理论 1907 Heisenberg的量子理论 1928
19
固体物理学的核心概念
F. Seitz, 1940, “Modern Theory of Solids” L. Brillouin, 1946 “Wave Propagation in Periodic Structure” 电磁波、弹性波、电子波以及自旋波 实空间和倒空间 Brillouin 区
4
提纲
1. 凝聚态物理学在物理学中的位置 2. 从固体物理学到凝聚态物理学 3. 凝聚态物理学中的重要概念 4. 凝聚态物理学和现代科学技术
5
1. 凝聚态物理学在物理学中的位置
1.1 二十世纪物理学的伟大成就
物理学是一门自然科学， 是人类文化的组成部分， 还是技术的基础
Lord Kelvin (1824-1907) M. Thompson 1900年 新年献词 《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》
图4. 自旋玻璃
图5. Benard胞
14
Is complexity Physics? Is it Science? What is it? Complexity is often Physics: Leading edge of Science
---P. W. Anderson (1991)
More is different !
---P. W. Anderson (1972)
15
世界是复杂的， 也是简单的， 但是归根结底 是复杂的， 复杂性导致多样性， 希望寄托在复杂性上
16
2.2 固体物理学的建立
1. 晶体学研究 探明晶体内部原子排列 Kepler (1611) 雪花、微粒堆垛 晶体的对称性理论 19世纪后期，14，32，230 x射线的运动学衍射理论 衍射光栅Hale Waihona Puke BaiduLaue 1912 Bragg方程 x射线的动力学衍射理论 Ewald 及其他人1916-
1 c2
∂2D ∂t 2
+
∇
×
⎛ ⎜
⎝
μ
1 (r)
∇
×
ε
D (r)
⎞ ⎟ ⎠
=
0,
μ(r + l) = μ(r),ε (r + l) = ε (r)