凝聚态物理中的基本概念(I)

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1、凝聚态物理中的基本概念(2)许祝安教12-424，电话：87953255，email:zhuan@zju.edu.cn凝聚态物理所http://physics.zju.edu.cn/pw/icmp/二十世纪凝聚态物理的发展(凝聚态物质－固体、液体、其它)从周期排列固体到非周期固体从常温性质到低温性质从固体物理到凝聚态物理固体物理学向凝聚态物理学的转化从简单体系转向更复杂的体系（如强关联体系，软物质，无序体系），人工微结构中间态(液晶,凝胶,聚合物)概念体系的变化：合作现象与对称破缺的概念新有序相，

2、临界现象非线性科学的发展成为新的理论工具与其它学科的交叉：与材料科学、化学、生物学和地学等交叉研究对象从晶体扩展到非晶、准晶超晶格、液晶聚合物、软物质DNA液晶聚合物凝聚态物理学的范式Landau的二级相变理论,表述了对称破缺的概念;Fermi液体理论中引入了元激发的概念Anderson论述了对称破缺,元激发,广义刚度,拓扑缺陷等基本概念学科交叉：凝聚态物理学的研究和材料科学与化学几乎密不可分学科交叉deGennes因液晶和高分子的研究获诺贝尔物理奖（91年），“因为将研究简单系统中有序现象

3、的方法推广到更复杂的物质态尤其是液晶和聚合物方面取得巨大成绩而得奖。”他在超导，液晶，聚合物等领域均有重要发现。他预言了II类超导体的表面超导现象，在液晶物理学方面提出近晶相的弹性结构，指出近晶相与超导体之间的类似性。三个研究方向有3本著作：《金属与合金的超导电性》（1966）《液晶物理学》（1974）《高分子聚合物物理的标度性概念》（1979）W.Kohn，1998Nobel化学奖W.Kohn物理系教授，因密度泛函理论得Nobel化学奖UCSB（UniversityofCalifornia,Sant

4、aBarbara）学历：1948HarvardUniversity,Degree:Ph.D.,Physics1946UniversityofToronto,Degree:M.A.,AppliedMathematics1945UniversityofToronto,(Canada),Degree:B.A.,MathematicsandPhysicsA.Heeger因导电高分子研究而获2000年诺贝尔化学奖。UCSB分子生物学的学科得以建立,物理学家也立了汗马功劳。凝聚态物理学的研究为跨学科的发展敞

5、开了大门。Landau的对称破缺的概念在某特定的物态中,某一对称元素的存在与否是不容模棱两可的。在原对称性相中某一对称元素的突然丧失将对应于发生相变,导致低对称性相的出现。对称破缺意味着出现有序相,其序参量值不等于零。序参量为某一物理量的平均值,可以是标量或矢量、在高温相它为零,在低温相为一有限值,而临界温度Tc标志二级相变发生的温度。序参量用以定性地和定量地描述低对称相和原对称相的偏离。物理学中的对称性凝聚态物质中对称破缺的典型事例从气态到晶态（固态）：一级相变气态为无序态，高对称态，具有

6、连续的平移和旋转对称性；而固态为有序态，低对称性，仅存的对称性为点阵矢量平移对称性和一组离散的旋转对称性。固体具有刚度，可以导电等，呈现出与气体不同的丰富的性质凝聚态物质中对称破缺的典型事例顺磁铁磁相变：二级相变顺磁态（高温）：磁矩是无序的，磁化强度=0铁磁态（低温）：磁矩定向排列，有序态，同时出现，时间反演对称性破缺。这里就是序参量。这是一种合作现象。顺磁态,T>Tc铁磁态，T

7、体－能隙朗道二级相变理论（平均场理论）临界现象－涨落引起在临界点附近，用平均场理论得到各临界指数（平均场理论将所有其它离子对某个离子的相互作用以一种“平均场”来代替，不考虑涨落）但在逼近临界点附近一个温度范围，平均场理论不适用（在逼近临界点时，涨落很大）基态和元激发各式各样的有序相的一个根本问题,乃什么是它的基态,即T=0时的状态。对费米子和玻色子的理想气体,答案业已给出。费米子的理想气体（无相互作用）：费米子全部填在费米球内，完全有序的状态。玻色子的理想气体：在某一温度下发生玻色-爱因斯坦凝

8、聚，所有粒子均占有基态，也即相同动量的状态。一种动量空间的序。一些实际系统的基态,必需计及各个粒子间的相互作用,因而一般而言,是一个困难的量子力学多体问题。例如，将相互作用引入费米气体，就转变为费米液体,虽然仍保留明显的费米面,但并产生与费米气体相对应的元激发，即有部分费米子处于费米面以外。基态按导电性：导体、半导体、绝缘体、超导体按磁性质：顺磁、铁磁、反铁磁、自旋玻璃按流动性：超流体其它：铁电体、费米液体、非费米液体随着实验技术的进步，对基