高等固体物理中科大5关联
固体物理学的发展历程与重要里程碑
固体物理学的发展历程与重要里程碑在科学的大舞台上，固体物理学以其引人入胜的研究领域和重要的应用价值一直备受瞩目。
固体物理学是研究固态物质性质和行为的科学学科，涵盖了从微观到宏观的各个层面。
在其发展的过程中，固体物理学取得了一系列重要里程碑的成就。
本文将对固体物理学的发展历程及其重要里程碑进行详细探讨。
一、早期发展固体物理学的研究可以追溯到古希腊时期，阿基米德在古希腊的物理学研究中开创了固体力学的奠基性工作。
然而，直到19世纪初，固体物理学才开始成为一门独立的科学学科。
克鲁伯、泊松和拉格朗日等科学家和数学家在固体力学和弹性力学等方面做出了重要贡献，为固体物理学的发展奠定了基础。
二、量子力学的出现20世纪初，量子力学的出现对固体物理学的发展产生了深远影响。
1900年，普朗克提出能量量子化的概念，为解释黑体辐射的研究打下了基础。
随后，爱因斯坦和玻尔等科学家对固体材料的光谱现象进行了深入研究，提出了光电效应、玻尔频率规则等重要理论，为量子力学的形成做出了贡献。
三、半导体物理学的突破在20世纪中叶，固体物理学取得了一系列重要突破。
1947年，晶体管的发明标志着半导体物理学的新时代。
晶体管的出现不仅使得电子学进入了一个崭新的时代，也为信息技术的快速发展奠定了基石。
此后，发展出了集成电路、微电子器件等一系列强大的电子元件。
四、超导现象的发现1960年代，固体物理学又取得了一项重要突破，即超导现象的发现。
超导材料在低温下能够完全消除电阻，电流可以无损耗地通过材料传输。
这一现象的发现不仅在能源传输和储存领域具有巨大潜力，也为理解物质的宏观量子性质奠定了基础。
五、量子霍尔效应的发现在固体物理学的发展历程中，量子霍尔效应的发现被认为是一个重要的里程碑。
1980年，范克尔和克拉兹尼奇通过相关实验观测到了量子霍尔效应。
这一效应在低温和强磁场条件下，电阻出现了明显的量子级别跳跃，揭示了电荷在二维系统中行为的全新规律。
量子霍尔效应的发现引起了广泛的关注，并为拓展新型电子器件和研究凝聚态物理学提供了新的思路。
评价中科大 六系
评价中科大六系摘要：1.中科大简介2.六系简介3.六系的优势4.六系的不足5.总结正文：【中科大简介】中国科学技术大学（University of Science and Technology of China，简称中科大或USTC），位于中国安徽省合肥市，成立于1958 年，是中国科学院直属的一所全国重点大学，是中国九所副部级全国重点大学之一。
中科大以培养高水平的科研人才为主要任务，被誉为“中国科学技术人才的摇篮”。
【六系简介】中科大的六系指的是中国科学技术大学六个学院，分别是：数学科学学院、物理学院、化学与材料科学学院、生命科学学院、地球和空间科学学院、信息科学技术学院。
这六个学院涵盖了自然科学的主要领域，是中科大教学和科研的基本单位。
【六系的优势】1.师资力量雄厚：六系的教师队伍中不乏享誉国内外的知名学者，他们具有丰富的科研经验，对学生的培养和指导起到了关键作用。
2.学科设置齐全：六系涵盖了自然科学的主要领域，为学生提供了广泛的学科选择，有利于学生全面发展。
3.科研实力强大：中科大的六系在各个领域都具有较强的科研实力，多个实验室在国内乃至国际上具有较高的声誉。
4.优良的学术氛围：中科大注重培养学生的学术素养，六系为学生提供了丰富的学术交流机会，有利于学生开拓视野、提升自身能力。
【六系的不足】1.地理位置相对偏远：中科大位于安徽省合肥市，地理位置相对偏远，对于吸引优秀生源和招聘优秀教师可能存在一定影响。
2.学科间的资源分配不均：虽然六系的学科设置齐全，但在各个学科间的资源分配上可能存在不均现象，部分学科可能面临资源短缺的问题。
【总结】总的来说，中科大的六系在教学和科研方面具有较高的水平，为学生提供了良好的学术环境。
高等固体物理--非常好的ppt
独立完成
期末考试：闭卷
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.
重要 重要 可能 密切 可能
科学的前沿： Before 80年代：天体物理、粒子物理 After 80年代：凝聚态物理 凝聚态物理已占整个物理学的半壁江山
Project 1
结合自己的专业列举和讨论某一子领域如何在经济社会各 方面发挥作用的.
第一章
1.1 1.2 1.3 1.4 范式
概论
固体物理的范式 量子化学的范式 凝聚态物理的范式
凝聚态物理表面上不同于其他学科, 内容显得多而杂, 有必要站在科学发展的高度, 审视其内在的规律. 科学史学家 Thomas Kuhn 强调范式在学科发展过程中的作用
/EDUCATION/mfp/Kuhnsnap.html
Thomas Kuhn (1922.7.18-1996.6.17) 在Harvard 大学读 理论物理研究生时 写的一本书
Hybrid orbitals • s + p + p + p = sp3 + sp3 + sp3+ sp3 • head on overlap produce sigma bonds • sideways overlap of unhybridized p orbitals produce pi bonds • How will this affect the character of s and p bonds?
中科院研究生院《固体物理》课程课件合集.pdf
X射线衍射
X射线衍射
X射线主要与电子云相互作用 只考虑原子对X射线的弹性反射
晶面反射
相长干涉需要光程相等
bc ad dac bca
Bragg 把晶体对 X光的衍射当作由原子平面（晶面）的镜面反射， 在满足镜面反射的衍射方向上，一个晶面内所有原子的散射波位相 相同、相互叠加，形成相长干涉
晶体结构的探测
虽然点群和空间群理论以及晶格理论都是19世纪提出的， 但直到1912年Laue发现了晶体X射线衍射现象之后才得以 从实验上观测到晶体结构并证实了上述理论。
普通光学显微镜受分辨率的限制，无法观测原子排列，使 用X光源，至今又没有可以使X光聚焦的透镜，所以只能依 靠衍射现象来间接观测晶体中的原子排列。
这就是X射线衍射的劳厄条件；
可以证明劳厄条件和布拉格条件等价。
劳厄条件
k
k
G
h
k k Gh
k k
k
Gh
k
Ewald球
k k Gh
劳厄法
晶体取向固定，采用波长在 min 和max 之间的连续 波长的X射线；
劳厄法
晶体取向固定，采用波长在 min 和max 之间的连续 波长的X射线；
1.2
(nm )
eV 12
波长与晶格常数可比时，如波长 0.1nm 对应 的能量 150 eV 。因此适合于晶体结构研究的 是20~250eV的低能电子束。
电子带电，与原子相互作用强，穿透深度约几个 原子层间距量级，因此低能电子衍射(Low Energy Electron Diffraction, LEED)主要用于晶体表面结构 研究。
T (Rn ) (r ) (r Rn )
电子密度具有平移对称性
高等固体物理学
高等固体物理学固体物理作为凝聚态物理学中最大的分支，以固体特别是原子排列具有周期性结构的晶体为对象，基本任务是从微观上解释固体物质的宏观物理性质、构成物质的各种粒子的运动形态及其相互关系，是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。
最近几十年来，由于新的实验条件和技术以前所未有的速度发展和进步，新材料不断涌现，因此不断开拓出固体物理新的研究领域。
同时，固体物理学的成就和实验手段对电子技术、计算技术以至整个信息产业、化学物理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成许多新的交叉学科。
对于经济和社会乃至人类日常生活具有革命性的影响。
本书对固体物理前沿的许多重要课题给出了简明的介绍，以清晰的教学方式提供了该领域已经得到很好确立的基础的背景材料。
把导论性的介绍与不断更新的高等论题成功地整合在一起，相关领域的研究生与高水平的研究人员将会从中受益并引起广泛的兴趣。
而对于希望对当代固体物理巨大的挑战得到一些概览的其他领域的学者也很有价值。
全书内容共分16章：1.导言；2.无相互作用电子气；3.BornOppenheimer近似；4.二次量子化；5.HatreeFock近似；6.相互作用电子气；7.金属中的局域磁矩；8.局域磁矩的淬火：近藤问题；9.屏蔽与等离子体激元；10.玻色化；11.电子-晶格相互作用；12.金属中的超导电性；13.无序：定域与例外；14.量子相变；15.量子Hall效应及其它拓扑态；16.强耦合电子：莫特性（Mottness）。
本书把传统主题与现代进展有机地结合在一起的写作风格是其它书籍很少见到的。
它的内容清新、广泛，行文清晰，且容易理解，是高等固体物理学的一部很有价值的参考书。
固体物理教学大纲课程名称固体物理课程性质专业必修课
固体物理教学⼤纲课程名称固体物理课程性质专业必修课《固体物理》教学⼤纲⼀、课程名称：固体物理⼆、课程性质：专业必修课三、课程教学⽬的：（⼀）课程⽬标：通过固体物理学课程的学习，使学⽣树⽴起晶体内原⼦、电⼦等微观粒⼦运动的物理图像及其有关模型，掌握晶体内微观粒⼦的运动规律及其与晶体宏观性能的物理联系，深刻理解晶体宏观性能的微观物理本质，为进⼀步学习和研究固体物理学各种专门问题及相关领域的内容建⽴初步的理论基础。
（⼆）教学⽬标：第⼀章晶体结构【教学⽬标】通过本章的教学，使学⽣了解晶格结构的实例、⾮晶态和准晶态的特征；理解和掌握晶体结构的周期性特征及其描述⽅法；理解和掌握晶体结构的对称性特征及其描述⽅法；理解和掌握倒格⼦的定义及其与正格⼦的关系；熟悉有关晶体结构的基本分析与计算。
借助于多媒体展⽰，使学⽣建⽴起晶体结构特征的直观图像。
第⼆章晶体的结合【教学⽬标】通过本章的教学，使学⽣了解晶体结合⼒的⼀般性质；掌握晶体的结合类型与特征；理解元素和化合物晶体结合的规律性；掌握离⼦晶体的结合能、体积弹性模量的计算；掌握范德⽡⽿斯晶体的结合能、体积弹性模量的计算。
在教学中，能够使学⽣认识到吸引与排斥的⽭盾的差别和对⽴统⼀是认识与理解固体的结合规律与性质的关键，培养学⽣的辩证思维能⼒。
第三章晶格振动与晶体的热学性质【教学⽬标】通过本章的教学，能够使学⽣理解简谐近似、格波概念、声⼦概念；理解玻恩-卡曼边界条件；了解三维格波的⼀般规律、晶格振动的⾮简谐效应；了解确定晶格振动谱的实验⽅法；掌握⼀维单原⼦、双原⼦晶格振动的格波解与⾊散关系；掌握晶格振动模式密度的计算⽅法；理解晶格热容量的量⼦理论、掌握爱因斯坦模型与德拜模型；理解格林爱森近似、掌握晶格状态⽅程。
结合例题分析和习题训练，提⾼学⽣分析问题和解决问题的能⼒。
第四章能带理论【教学⽬标】通过本章的教学，使学⽣能够了解晶体能带理论的基本假设和处理问题的基本思路；理解布洛赫定理及其推论的证明，掌握晶体能带的基本特征；熟悉克龙尼克—潘纳模型的求解与结论；熟悉布⾥渊区、费⽶⾯等基本概念；了解平⾯波⽅法、赝势⽅法；掌握近⾃由电⼦近似⽅法及其结论；掌握紧束缚近似⽅法的运⽤；掌握能态密度的计算⽅法。
中科大固体物理
中科大固体物理
中科大固体物理专业是中科院固体物理研究所的研究生培养项目之一，该研究所成立于1982年3月，由国际著名物理学家、中国科学院院士葛庭燧先生创建。
经过三十多年的发展，现已成为凝聚态物理和材料科学基础研究的基地型研究所。
固体物理研究所是中科院材料物理重点实验室、安徽省纳米材料与技术重点实验室、安徽省特种金属材料工程实验室、安徽省纳米材料工程技术中心、中科院合肥物质科学研究院物质科学计算中心的依托单位，是凝聚态物理专业和材料物理与化学专业的硕士、博士学位培养基地，拥有物理学博士后流动站。
研究方向包括：纳米材料技术，新型功能材料，计算材料物理，内耗与固体缺陷，极端环境材料物理，核能工程材料，特种金属材料等。
1。
中科大物理系培养方案
中科大物理系培养方案中科大物理系的培养方案那可是相当酷的。
一、基础课程阶段。
1. 数学基础。
首先呢，数学得学好。
像高等数学，这可是基石。
那里面的微积分啊，就像物理世界的魔法棒。
你想搞懂物理里的变化率之类的，没有微积分根本玩不转。
线性代数也不能少，矩阵啥的在处理物理中的多变量问题，比如量子力学里的态矢量表示，可太重要了。
还有数学物理方法，这门课就像是数学和物理的桥梁。
复变函数、偏微分方程的知识，在解物理中的各种场方程，像电磁场的麦克斯韦方程组的时候，那是必不可少的工具。
2. 物理基础。
普通物理肯定得学扎实啦。
力学部分，从牛顿定律到拉格朗日力学、哈密顿力学，就像一步步升级打怪。
你以为牛顿定律就够了？到了研究复杂系统的时候，拉格朗日和哈密顿的方法那是又简洁又强大。
热学也很有趣。
分子热运动、热力学定律，从微观的分子行为到宏观的热量传递、做功，这里面的学问可大了。
比如说为什么冰箱能制冷，这里面就全是热学的原理。
电磁学就更不用说了，电和磁的相互作用，从库仑定律到安培定律，再到麦克斯韦统一电磁场的伟大理论。
那电场、磁场就像看不见的魔法场，支配着电子的运动、电磁波的传播啥的。
光学也在这个阶段学。
光的反射、折射、干涉、衍射，这些现象不仅好看，背后的原理在很多高科技领域都有用，像光通信、激光加工啥的。
3. 实验技能。
普通物理实验是锻炼动手能力的好机会。
你得学会摆弄那些实验仪器，比如用游标卡尺精确测量物体的长度，用示波器看电信号的波形。
在实验里，你可能会遇到各种小状况，就像探险一样。
有时候仪器不听话，你就得像个小侦探一样去找出问题所在，是线路接错了，还是仪器本身有毛病？这个过程中，你就慢慢掌握了实验的技巧和物理量的测量方法。
二、专业课程阶段。
1. 核心物理理论。
量子力学那可是物理系的重头戏。
这里面的微观世界规则跟我们日常看到的完全不一样。
粒子可以同时处于多个状态，还有什么波粒二象性、量子纠缠。
就像进入了一个充满神秘和奇幻的微观世界，你得跟着薛定谔方程去探索粒子的状态变化，去理解那些奇奇怪怪的量子现象背后的数学逻辑。
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drj rj
1
0
rjdjr
0
所以对凝胶模型，Hartree方程： 2m 2 2EKKr 0
相互作用→没有相互作用
电子＋正电荷背景→自由电子气
3. Hartree-Fock方程(1930)
Hartree方程不满足Pauli不相容原理
电子：费米子
单电子波函数f：→N电子
体系的总波函数：
1
(N!) 2
其中： (r')Nj(r')2 全 体电 r'位 子的 在密 度
j'பைடு நூலகம்
H j F(r,r')
j'
*j'(r')*jj((rr'))jj('(rr))*j (r)
sp i/n/
r
r'
时， H j F(r,r')(r)
交换电荷密度
H j F(r,r')对全空间的积分于 恰一 好个 等电子电量：
jHF(r,r')dr' j'
与Hartree方程的差别：第三项对全体电子，第四项新增，交 换作用项。求和只涉及与j态自旋平行的j’态，是电子服从 Fermi统计的反映。
4. Koopmann定理（1934) j * j ( r ) jj ( r ) d r N H N N N 1 H N 1 N 1
N
j
jHF(r,r' )
定H 性(F 讨r,r论') ： N 假9 2设kFrr'cokk F sF rrj rr'' 1 6seik n xFrpi k(rj'2 r)
kF 6(32)2, N
HF
Fermi hole:与某电子自 旋相同的其余邻近电子 在围绕该电子形成总量 为1的密度亏欠域
f1r1s1
f1rNsN
fNr1s1 fNrNsN
不涉及自旋－轨道耦合时： fjjrj j sj
N电子体系能量期待值：
E H j
*j (r)
2 2m
2
Uion(r)j
(r )dr
e2
8 0 jj'
2 j (r )
1
j'(r'
)
2
drdr'
r r'
e2
8 0 j'j
drdr'
r
j'
单电子方程：
2 2 U io r ne 2
2 m
40j '
j( r ') d r ' e 2 r r ' 40j '
d r d r '* j( r r ' ) r j ' ( r ')s s ,s ' j jj( r ) jj( r )
from the ground-state electron density 0 .
Proof:
The electronic Hamiltonian is
1 r'
*j (r)j
(r' )*j'(r' )j'
(r )s j s'j
1.第二项j,j'可 以相等，自相互 作用
2.自相互作用严 格相消（通过第 二，三项）
3.第三项为交换 项，同自旋电子
通过变分: 么正变换:
H
j'j
* j j'drj'j
0
j'j
j uj'j j'
kF rr'
6. 密度泛函理论(Density functional theory)
(1) Thomas-Fermi-Dirac Model
• energy as a function of the one electron density,
• nuclear-electron attraction, electron-electron repulsion
*j*j((rr))jj'((rr)) *j (r')j'(r')dr'
spin//
j'
*j*j((rr))jj'((rr))jj' 1 在HF方程中合理地扣究除电被子研
spin//
与 全 体 电 子 互 作自用身中作的用 jH。 F依 赖j于 ,难 直 接 用 于 求 解电固子体问多题 。
引入平均交换电：荷H密 F(r度 ,r') 1
Hartree方程中的势：
1
V
j'j 4 0
e r rj'
1
e xpikj' rj'
2
drj'
V
1
4 0
e
j'
drj' 1 e
drj
r rj' 4 0 r rj
第二项是全部电子在r处形成的势，与 V 相抵消
第三项是须扣除的自作用，与j有关，但如取r为计算原点：
1 e
probability density 0(x,y,z),namely, E0E00.”
Phys. Rev. 136, 13864 (1964)
Density functional theory (DFT) attempts to
calculate E 0 and other ground-state molecular properties
V N [E ]AZ Ar A d
J []
(1 )(2 ) r 12d1 d2
• Thomas-Fermi approximation for the kinetic energy
T []c5/3d c3(32)2/3 10
• Slater approximation for the exchange energy
K []c4/3d c9 8 3 1/3 1
(2) The Hohenberg-Kohn Theorem
In 1964, Hohenberg and Kohn proved that
“For molecules with a nondegenerate ground state, the ground-state molecular energy, wave function and all other molecular electronic properties are uniquely determined by the ground-state electron
单电子轨道能量等于N电子体系从第j个轨道上取走一个电子 并保持N－1个电子状态不不变的总能变化值。
推广：系统中一个电子由状态j转移到态i而引起系统能量的变化
i j
Ej
5. 交换空穴(Fermi hole) 将H-F方程改写为：
2 m 2 2 U io ( r ) n 4 e 2 0d r ' ( r ') r j H r '( r , F r ') j( r )j j( r )