凝聚态物理学的基本概念和现代发展-金国钧
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。
凝聚态物理学及其在材料领域中的应用
凝聚态物理学及其在材料领域中的应用凝聚态物理学是对物质的宏观和微观行为的研究，它的研究范围包括所有凝聚态物质，如固体、液体和气体。
在现代科学技术的发展中，凝聚态物理学在材料领域中的研究已经成为了一个重要的分支。
在材料科学中，凝聚态物理学研究的是材料的相互作用和物理性质，包括电、热、磁的性质和结构等。
凝聚态物理学的研究可以帮助我们更好地理解和掌握材料的特性和应用，从而创造更加先进的材料。
凝聚态物理学的应用凝聚态物理学在材料科学中的应用非常广泛。
其应用可以分为理论和实验两个方面：理论方面凝聚态物理学在理论方面研究的是材料中原子、分子的结构、电子及电子与原子间相互作用和热运动等，从而更好地预测材料的性能和行为。
具体应用包括以下几个方面：1.密度泛函理论这是一种理论模型，用于描述原子和分子的性质。
它可以用于预测材料的电子结构和几何结构，并有效地概述材料的物理、化学和力学性质。
2.分子动力学模拟分子动力学模拟是一种对大量粒子进行动力学计算的方法。
这种方法可以模拟材料的热力学和动力学过程，以及材料中分子之间的相互作用和运动，从而预测材料在不同条件下的性质和行为。
3.量子化学计算量子化学计算是一种用量子力学方法来描述材料分子构成和性质的计算方法。
它可以预测分子的能量、结构和反应活性，从而指导材料中的分子设计和制备。
实验方面凝聚态物理学在实验方面研究的是材料的性质和结构，以及这些性质和结构之间的关系。
具体应用包括以下几个方面：1.压电材料压电材料是一种可以产生电荷的材料，它的电性能受到机械应力的影响。
凝聚态物理学的研究可以帮助人们更好地了解压电材料的电学性质，以及机械应力和电荷之间的关系，从而为新材料的开发和应用提供新的思路和手段。
2.磁性材料磁性材料的研究是凝聚态物理学的又一重要应用领域。
磁性材料在电子器件、储存器、发电机等方面的应用非常广泛，凝聚态物理学的研究可以帮助人们更好地了解磁性材料中的电子和原子之间的相互作用，以及不同场强下磁性材料的性质和行为。
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 斯坦凝聚态，磁介质中的铁磁态，反铁磁态
— 完整的晶体对称性理论, — X射线衍射确证了晶体的周期结构;
— 固体比热理论；
— Born 学派建立了晶格动力学理论;
Pauli
— 关于金属导电的自由电子理论：Drude 与Lorentz 的经典自由 电子理论；Pauli 与Sommerfeld 发展的基于Fermi 统计的自 由电子理论等。
H T V
— 透明与导电
凝聚态物理学与现代科学技术
超导现象
— 超导体的发现： — 迈斯纳效应： — 高温超导体： — 晶格振动与超导电性：库伯电子对
凝聚态物理学与现代科学技术
超导体与核磁共振成像
— 晶格振动与超导电性：库伯电子对 M — 超导体与强磁场 3 2 — 核磁共振 3 J
J
1
2
E hv
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 p 1,3
2 2
2s
1s
原子中的电子能级 原子中的电子云
凝聚态物理学的基本概念
从原子到固体：能带的形成
原子
固体
分子
能带的形成
凝聚态物理学的基本概念
费米面与空穴
T=0 T>0 EF 空穴 EF
凝聚态物理学的基本概念
凝聚态物理学与现代科学技术
凝聚态物理学的产生发展和未来
凝聚态物理学的产生，发展和未来凝聚态物理学的产生：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。
凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓。
凝聚态物理学的发展：凝聚态物理以万物皆成于原子为宗旨，以量子力学为基础研究各种凝聚态，这是一个非常雄心勃勃的举措。
凝聚态物理这个学科名称的诞生仅仅是最近几十年的事。
如果追寻一下它的渊源。
应该说出自于对固态中晶态固体的研究和对液态中量子液体的研究。
在对这二种特殊态的长期研究中，人们积累了一些经验，也建立起了一些信心，并逐步把一些已有的方法推广用于非晶态和液晶乃至液态的研究，从而大大拓宽了视野，逐步形成了凝聚态物理。
今天，凝聚态物理的视野还在继续开拓。
然而作为渊源的二种凝聚态即晶态固体和量子液体，时至今日仍然是它主要的研究对象，内容当然越来越丰富了，考虑的问题也越来越深入了。
毕竟我们面临的是同一个自然界，许多现象和规律是普适的。
人们正是通过对一系列特殊态的深入研究来逐步认识和掌握那些普适的规律。
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、新器件和新工艺提供了科学基础。
凝聚态物理学的基本概念和现代发展-金国钧
2.3 向凝聚态物理学的发展
一场无限平稳的革命
超出三维严格周期性，以更 广泛的物质聚集体为对象
互作用
凝聚态物理学是从微观角度 出发，研究由相互作用的多 粒子组成的凝聚态物质的结 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
维度性
对称性
24
Large amount of discoveries
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
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》
与对称性破缺有关的凝聚态物质系统的能量示意图33对称破缺的能量阶梯38不同的相互作用规定不同的基态温度升高基态用元激发概念进行简化处理整个相互作用系统的近似本征态热电等性质低温下有长寿命确定的ep低激发态继续升高温度非线性激发拓扑型缺陷位错畴界涡线破坏序参量的空间均匀性破坏广义刚度导致耗散和材料性能降低更高温度进入临界区涨落标度律临界指数普适性重正化群39lowlyexcitedstatesareresponsibleforanumberofinterestingphysicalpropertiessuchasthespecificheatmagneticsusceptibilityelectricalandthermalconductivitieselementaryexcitations1
《凝聚态物理前沿》课程教学大纲
《凝聚态物理前沿》课程教学大纲一、中文课程简介（含课程名、课程编号、学分、总学时、课程内容概要等内容）课程名：凝聚态物理前沿课程编号：学分：3总学时：48课程内容概要：结合理论物理专业特色与博士生培养要求，本课程主要围绕冷原子物理、拓扑物理与原子光学等凝聚态物理前沿领域介绍相关的基础理论知识和进展，包括光与原子相互作用、散射理论、相互作用玻色气体和费米气体以及拓扑能带论等，为进入相关领域的前沿研究提供基本的理论工具和知识储备。
二、英文课程简介（含课程名、课程编号、学分、总学时、课程内容概要等内容）Course：Frontier of Condensed Matter PhysicsCourse Number：Credit：3Hours：48Course content summary: This course mainly introduces the basic theoretical knowledge and progress in the frontier of condensed matter physics, such as ultracold atoms, topological physics and atomic optics, including the interaction between atom and light, scattering theory, interacting Bose and Fermi gas, topological band theory, etc.It provides basic theoretical tools and knowledge for doctoral students to begin the research in related fields.三、教学目标1.掌握光与物质相互作用、冷原子物理、拓扑能带理论等凝聚态物理相关领域的基础理论和研究方法，了解并跟进这些领域的前沿发展，为进一步深入学习和研究打下基础。
凝聚态物理学的研究现状与发展趋势
凝聚态物理学的研究现状与发展趋势凝聚态物理学是物理学中最重要、最活跃的领域之一。
它主要研究固体、液体、气体等物质的基本物理性质。
凝聚态物理学已经取得了许多令人惊讶的成就，如超导、磁性、光学、控制量子力学等。
在本文中，我们将对凝聚态物理学的研究现状和发展趋势进行探讨。
一、凝聚态物理学的研究现状凝聚态物理学的研究涉及到物质的性质和结构。
凝聚态物理学家关注的问题包括物质的电学、热学、磁学等各方面的性质，以及这些性质的基本理论。
目前，凝聚态物理学的研究内容主要包括以下几个方面：1. 量子物质的研究：量子物质可以通过加强人造温度等方式得到，主要研究单个电子的行为、自旋等。
在这种条件下，物质表现出不同的性质，这是因为原子的运动是量子物质构成的，所以量子物质具有原子物质所没有的独特性质。
2. 超导和超流体的研究：超导和超流体在科学界和工业界得到了广泛应用，例如磁共振成像和电路理论。
超导物质可以在很低的温度下传导电能，而超流体具有非常低的粘性并且可以完全流动。
3. 低维系统的研究：低维系统可能是凝聚态物理学中最重要的一个领域。
这个领域涉及到体系的几何形态和波动的性质，例如单层石墨烯的电子结构和表面的重构，和单层半导体纳米线的生长和结构变化等。
4. 量子材料和拓扑物相的研究：量子材料是一种新的物质状态，它的性质可以在原子、电子和样品层面上被预测和控制。
拓扑物相是指材料中存在的一些奇特的电子结构，这种结构可以被应用于电子计算和量子通信等领域。
二、凝聚态物理学的发展趋势凝聚态物理学的研究已经不断取得了新的突破。
未来，凝聚态物理学的发展趋势将会继续如下：1. 多物理量的精细调控和研究：多物理量的调控和研究是凝聚态物理学领域中未来的新方向。
多物理量材料的研究将需要研究复杂的集体行为。
2. 量子材料和拓扑物相的研究：量子材料和拓扑物相的研究将是未来凝聚态物理学的主要研究方向之一。
这些材料可能会带来者超过当前凝聚态物理学应用的新功能。
凝聚态物理学的研究与进展
凝聚态物理学的研究与进展凝聚态物理学是研究物质宏观状态的物理学科，主要研究固体、液体和气体等凝聚态物质的性质及其相互作用。
这一领域的研究对于材料科学、能源技术、半导体技术等产业有着重要的意义。
本文旨在介绍凝聚态物理学的研究内容与进展。
一、凝聚态物理学的研究内容凝聚态物理学的研究内容非常广泛，主要包括以下方面：1. 凝聚态物质的结构和物理性质研究物质的微观结构对于理解材料的性质十分重要。
凝聚态物理学家通过实验和理论计算，研究物质的微观结构与其宏观性质的关系，包括热力学性质、电学性质、磁学性质、光学性质等。
2. 凝聚态物质的相变凝聚态物质的相变是指物质由一种相转变为另一种相（如固态、液态、气态等）的过程。
相变不仅是物理学研究的重要课题，对于科学与工程技术的应用也具有极高的价值。
例如，相变储能技术、相变材料的应用等。
3. 凝聚态物质中电子与强子的相互作用凝聚态物质中电子与强子（如质子、中子等）之间的相互作用对固体材料的性质具有重要影响。
如超导材料、磁性材料等的应用。
4. 凝聚态物质中的新现象与新物理凝聚态物理学是物理学中最富有生气和活力的学科之一。
新出现和发展的一些新物理现象，如高温超导、磁性固态材料、凝胶形成，很多还不为人们所完全把握和所理解，但科学家们通过实验与理论的研究，越来越深入地挖掘和发现它们的新性质和特点。
二、凝聚态物理学的研究进展凝聚态物理学自问世以来，一直是物理学研究的重要领域之一。
其研究对于现代科技的发展有着重要的贡献。
近年来，凝聚态物理学的研究不断取得新的成果和进展：1. 量子物理学的兴起量子物理学是凝聚态物理学中最快发展的分支之一。
通过对凝聚态物质的量子性质进行实验和理论计算，物理学家们揭示了许多经典物理理论无法解释的新现象，例如量子液体、量子震荡等。
2. 对凝聚态物质的原子级理解通过加速器与显微术等技术的不断发展，科学家们逐渐能够对凝聚态物质的原子级结构进行观测与实测，为研究凝聚态物质的微观原理提供了有力支持。
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26
Interaction increases
H Ψ (r1 ,..., rN ) = E Ψ (r1 ,..., rN )
1 2 i + v(ri ) H = ∑ H i = ∑ i i 2m
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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》 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
Still immense possibilities are waiting to be explored Coexistence of intellectual challenges and practical rewards
25
Dimensionality reduces
Using coherence of de Broglie waves
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
一场无限平稳的革命
超出三维严格周期性，以更 广泛的物质聚集体为对象
互作用
凝聚态物理学是从微观角度 出发，研究由相互作用的多 粒子组成的凝聚态物质的结 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
维度性
对称性
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Large amount of discoveries
High temperature superconductors Integer and fractional quantum Hall effects Quantum transport in mesoscopic systems C60 molecules and solids Giant and colossal magnetoresistance Realization of Bose-Einstein condensation
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
1 1 2D D + × × = 0, μ (r + l ) = μ (r ), ε (r + l ) = ε (r ) 2 2 c t ε (r ) μ (r )
2 M s 2 ulsα = ∑ Φ lsα ,l ′s′β ul ′s′β , t l ′s ′β
Φ lsα ,l ′s′β = Φ 0 sα , ls′β
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
What is Symmetry
12
基本粒子衰变和俘获 (W+, W-, 和Z0) 10-10-10-12
带电粒子 (光子) 所有物体 (引力子)
10-2 10-39
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
vols. 1-57, 1955-2002
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Extension and modification of the paradigm Wave behavior beyond perfect periodicity
Dilute impurities and surfaces in crystals → Friedel oscillations of electron density Concentrated impurities → multiple scattering → weak localization and enhanced backscattering Strongly disordered systems → Anderson localization Quasicrystals → self-similar energy structure and critical state, singular continuity Fractal structures → scale invariance, fractons
Gases, Liquids and Solids Decompose Molecules or Atoms Nuclei and Electrons Protons and Neutrons Quarks and Gluons
11
四种基本相互作用
类型 强 弱 电磁 引力 客体 质子和中子 (介子和胶子) 强度 1-10 范围 10-15-10-14cm 10-14cm 无限 无限
σ
kσ
H = ∑ ε k nkσ + ∑ ε d ndσ + H sd
kσ
σ
+ + + + H sd = J ∑ S z (ck ′↑ ck ↑ ck ′↓ ck ↓ ) + S + ck ′↓ ck ↑ + S ck ′↑ ck ↓ kk ′
28
3. 凝聚态物理学中的重要概念
3.1 对称性破缺
Artificial nanostructures: superlattices, quantum wells, quantum wires, quantum dots, and small rings Transport phenomena: ballistic transport and tunneling transport
---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 Laue 1912 Bragg方程 x射线的动力学衍射理论 Ewald 及其他人191617
h2 2 ih ψ = + V (r ) ψ , t 2m
V (r + l ) = V (r )
21
常规发展时期 F. Seitz, D.Turnbull, H. Ehrenreich, F. Spaepen
Solid State Physics, Advances in Research and Applications
表1. 凝聚态物理学中有关的对称性
29
Professor Yang poined out
The fundamental rhythm in physics of twenty century is 二十世纪物理学的基本韵律 Symmetry, Quantization and Phase Factor
1 2 + v(r ) ψ (r ) = εψ (r ), 2m
v (r + l ) = v (r )
e2 1 2 1 i + v(ri ) + ∑ H = ∑ 2 i ≠ j ri r j i 2m
′ 1 1 e2 2 ∑ 2m i + v(ri ) + 2 ∑ r r j i i j
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 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
From Complexity to Simplicity: Reductionist Approach
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
长度 100cm-10-8cm 能量 1000K-10-9K 时间 108s–10-15s 粒子数 1027-102
Even today the vitality of this paradigm is not exhausted, new investigations on photonic and phononic band gaps in the late 1980s and after