凝聚态物理前沿

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1、凝聚态物理前沿聚态物理学是一门以物质的宏观物理性质作为主要研究对象的学科。所谓“凝聚态”指的是由大量粒子组成，并且粒子间有很强的相互作用的系统。自然界中存在着各种各样的凝聚态物质，它们深刻地影响着人们日常生活的方方面面。在最常见的三种物质形态——气态、固态和液态中，后两者就属于凝聚态。低温下的超流态、超导态、超固态、玻色-爱因斯坦凝聚态、磁介质中的铁磁性、反铁磁性等，也都是凝聚态。凝聚态物理学是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。它是以固体物理学为主干，进一步拓宽研

2、究对象，深化研究层次形成的学科。其研究对象除了晶体、非晶体与准晶体等固体物质外，还包括稠密气体、液体以及介于液体与固体之间的各种凝聚态物质，内容十分广泛。其研究层次，从宏观、介观到微观，进一步从微观层次统一认识各种凝聚态物理现象；物质维数，从三维到低维和分数维；结构从周期到非周期和准周期，完整到不完整和近完整；外界环境从常规条件到极端条件和多种极端条件交叉作用，等等，形成了比固体物理学更深刻更普遍的理论体系。经过半个世纪的发展，凝聚态物理学已成为物理学中最重要、最丰富和最活跃的分支学科，在诸如半导体、磁学、超导体等许多学科领域中的重大成就已在当代高新科学技术领域中起关键性作用，为发展新材料、

3、新器件和新工艺提供了科学基础。前沿研究热点层出不穷，新兴交叉分支学科不断出现，是凝聚态物理学科的一个重要特点；与生产实践密切联系是它的另一重要特点，许多研究课题经常同时兼有基础研究和开发应用研究的性质，研究成果可望迅速转化为生产力。这学期有幸选上了凝聚态物理前沿这门课程，聆听了多位教授的研究方向报告，受益匪浅，对凝聚态物理的知识体系以及研究方向有了更深刻的了解。为此，我在期末总结了几位老师的报告内容，作为课程报告。有几位老师的研究方向是声学人工结构，以及人工周期结构中的Dirac锥和谷相关特性。几个报告内容内容属于一个声学大方向，所以可以在一起总结。光和声是人类生活最密切相关的两种波，人类通

4、过它们来感知世界并实现实现交流。认识并利用光和声，拓展人类认知自然的能力，生活品质，贯穿了整个人类的发展史。1987年，以光子晶体的概念提出为目标，人们首次提出了用人工结构来调制光波，从而实现对光更有效操作的思想。同样的想法很快被拓展应用于声波，声子晶体的概念也与1993年被提出，作为人工结构，光子晶体和声子晶体主要以布拉格散射机制实现对波的调制，因而它们的结构尺度都与工作波长相当。光子晶体或声子晶体属于波长尺度范畴，而作为另一大类人工机构的超构材料则属于“亚波长”尺度范畴，即超构材料的结构尺度远小于其工作波长，因为这一特点，使在超构材料中传播的波不能分辨其结构，所以超构材料可视为是均匀的有

5、效介质，可用有效参数描述。用“亚波长”结构来调控波的思想主要形成于2000年左右。早期的超构材料，无论是光学的，还是声学的，大多是含共振单元的人工结构，所以材料参数可为负数。随着研究的进展，不含共振单元的超构材料也值得关注。这类材料研究的主要目标是利用结构设计来获取合适的材料参数，具有宽带、低耗散等优点，更适合在隐身等问题中应用。值得指出的是，目前人们对于超构材料这一术语含义的理解，并不完全同意。除了上述含义，它有时还有更宽的含义，这包括如金属表面等离激元微纳结构，有时甚至还包括光子晶体和声子晶体，但结构尺度是亚波长，也可用有效材料描述，这也是目前大多数人接受的超构材料的定义。质量密度是材料

6、的重要声学参数，利用结构单元的谐振子模型，可解析地得到这种材料的有效质量密度公式、其结果显示与图。可以看到，在400HZ和1400HZ两个频率附近，这种材料的有效质量密度公式。其结果显示了。可以看到，上述局域共振结构产生负有效质量密度的物理图像：当入射波频率增加到结构单元的共振频率时，发生谐振子偶极共振，刚越过共振频率时，结构单元中铅球的运动变得与基体的运动相反，即铅球的加速度方向变得与基体的运动反向，即铅球的加速度方向变得与结构单元的受力方向相反，而铅球的加速度方向变得与结构单元的受力方向相反，而铅球的质量是结构单元质量的主体，导致结构单元整体上表现出负质量响应，我们看到，这里负质量响应是

7、共振结构动力学行为的一种表现，在静态情况下质量是不能为负的。前面利用“弹簧与质量”偶极共振结构实现了负有效质量密度。可以设计具有单击共振的结构来实现负有效体模量。考虑到气泡在水中具有强烈的单击共振。如果把偶极共振和单击共振两种结构单元并入到同一结构中，即可实现有效质量密度和有效质量密度和有效体模量同时为负的超构材料。为使两种共振的频率一致，先对产生负有效质量密度的结构进行重新设计，其结构为橡胶包裹的金球在环氧