物理学前沿第二章凝聚态物理.ppt

凝聚态物理学是物理学中最大的分支学科，也是与高科技和日常生活关系最为密切的物理学领域。凝聚态物理学是物理学中历史悠久的学科，也是蓬勃发展、不断有新发现、不断出现新的分支和交叉学科的领域。凝聚态物理学是固体物理学的发展和延伸，它包含许多分支和丰富多彩的内容。 2.1.1凝聚态 凝聚态是粒子数N大于阿伏伽德罗常数的原子、分子、离子集合体的总称，包括以下几个方面： 固体：晶体、准晶体、非晶体都属于固体，其特点是原子（离子、分子）之间有固定的平衡位置，由相互作用凝聚态成整体，密度较大。 液体：包括常规液体和有序液体(液晶),其特点是（离子、分子）之间在一定范围内可以相对运动（流动），但相互作用把它们凝聚成整体，密度中等。 气体：包括中性气体和电离气体（等离子体），其特点是粒子之间有很大的距离，可自由运动，靠外场或容器的约束而非靠粒子之间的相互作用形成凝聚体。 2.1.2凝聚态物理学 凝聚态物理学是研究凝聚态的电磁、光学、力学等性质，揭示其规律并加以利用，创造和利用新的凝聚态的科学。 2.1.3凝聚态理论 凝聚态理论用基于量子电动力学（QED）或其等效理论的量子多体理论计算凝聚态的电磁、光学、热学、力学等性质，揭示其规律，从而设计具有所需性质的新的凝聚态。 凝聚态理论的发展经历了气体分子运动论、费米气体理论、液体理论（费米、郎道）流体动力学、固体量子论，并最终进入了凝聚态理论的现阶段，其中以固体量子论和晶体量子论最为成熟。下面对晶体量子论做简要介绍。 晶体量子论：具有周期性点阵结构的固体称为晶体，晶体量子论研究各种波在具有周期性点阵结构的固体——晶体中的传播规律，包括： （1）弹性波在晶体周期点阵中的传播规律，即晶格动力学，声波在晶体周期点阵中的传播规律，即声子晶体的性质. （2）X射线电磁波在晶体周期点阵中的传播规律，即x射线衍射动力学，光波在晶体周期点阵中的传播规律，即光子晶体的性质。。 （3）电子物质波在晶体点阵中的传播规律，即电子能带论。 晶体量子论在以下四个方面发展： （1）从有序晶体到无序晶体。研究各种波在超晶体、准晶体和无序系统（包含很多杂质的系统）中的传播。 （2）从三维系统到低位系统，研究种波在二维量子阱、一维量子线和零维量子点中的传播。 （3）从大系统到小系统。研究电子波在团簇和介观环等介观系统中的运动。 （4）从固体到一般凝聚态（如液晶、等离子体、软凝聚态等） 2.1.4凝聚态物理学的基本概念 凝聚态物理学的发展与这一领域的科学大师的贡献分不开，其中郎道和安德森的贡献对凝聚态物理学的发展起着特别重要的作用。他们的研究成果体现在凝聚态物理学的基本概念和基本理论之中。 郎道发展了二级相变、超导、超流、费米液体、序参量、对称性破缺、元激发等基本概念和基本理论。安德森在无序系理论、杂质磁性理论、软膜相变、约瑟夫森效应、元激发、广义刚度、缺陷、标度性、重整化群等面做出了重要贡献。L.D郎道因凝聚态理论和液氦超流理论研究获1962年诺贝尔物理学奖。P.W安德森、N.莫特和J.范费莱克因磁性和无序系统电子结构理论研究获1977年诺贝尔物理学奖。 1.能带与化学键 能带与化学键体现了固体物理学与化学的关系. 能带：价电子为整个固体共有（这类价电子称为巡游电子，具有很强的非定域性） 能带理论是用量子力学的方法研究固体内部电子运动的理论。始于20世纪初期，在量子力学确立以后发展起来的一种近似理论。它曾经定性地阐明了晶体中电子运动的普遍特点，并进而说明了导体与绝缘体、半导体的区别所在，解释了晶体中电子的平均自由程问题。 晶体中电子所能具有的能量范围，在物理学中往往形象化地用一条条水平横线表示电子的各个能量值。能量愈大，线的位置愈高，一定能量范围内的许多能级（彼此相隔很近）形成一条带，称为能带。各种晶体能带数目及其宽度等都不相同。相邻两能带间的能量范围称为“能隙”或“禁带”。 完全被电子占据的能带称“满带”。满带中的电子不会导电；完全未被占据的称“空带”；部分被占据的称“导带”。导带中的电子能够导电；价电子所占据能带称“价带”。 能量比价带低的各能带一般都是满带，价带可以是满带，也可以是导带；如在金属中是导带，所以金属能导电。在绝缘体中和半导体中是满带所以它们不能导电。但半导体很容易因其中有杂质或受外界影响（如光照，升温等），使价带中的电子数目减少，或使空带中出现一些电子而成为导带,因而也能导电。 窄能带：按照固体的能带理论，半导体的价带与导带之间有一个禁带。在禁带较窄的半导体中，有一些物理现象表现得最为明显，最便于研究，因此把窄禁带半导体作为