文档介绍：凝聚态物理学
第一页，共15页。
物质世界的层次化
1】 20世纪的物理学
相对论 —— 经典物理的压轴戏
量子论 —— 拉开微观物理学的帷幕
修正时空观、天文学
原子分子学、集体相干和量子涨落
初期到中期：
凝聚态物理学
第一页，共15页。
物质世界的层次化
1】 20世纪的物理学
相对论 —— 经典物理的压轴戏
量子论 —— 拉开微观物理学的帷幕
修正时空观、天文学
原子分子学、集体相干和量子涨落
初期到中期：
1) 从原子物理向下，核物理，基本粒子
2) 对宇宙的探索，引力波、黑洞、暗物质等
建立两大基本模型：用于粒子物理和宇宙论
3) 量子论向上，微观世界和宏观凝聚态物质的汇合
固体物理学+量子+统计凝聚态物理——另一前沿
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第二页，共15页。
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第三页，共15页。
凝聚态物理学
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第四页，共15页。
2】 简单性与复杂性
研究方法：还原论-先从复杂到简单，再从简单重建复杂
还原与统一相伴（弱力与电磁力统一，量子+相对论？）
物理学家的无上考验在于达到那些普适性基本规律后，再从它演绎出宇宙
——Einstein
问题！能统一的范围极限，还原的真实性和可行性？
因为物质世界的诸层次之间，除存在耦合，还存在脱耦！
成果
第五页，共15页。
3】 还原论的局限--层展现象
还原论----先从复杂到简单，再从简单重建复杂
因为物质世界的诸层次之间，除存在耦合，还存在脱耦！
不同物质结构的不同层次间耦合与脱耦微妙平衡
——层展的世界
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凝聚态物理学的范围
空间尺度：1m–
时间跨度：1year– 1fs
能量范围：1000K– 1nK
粒子数量：1027– 1021 ，103– 101
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凝聚态物理学的范围
如何区分两者应用范围？
通常研究对象：全同粒子构成的多体体系
分界：当粒子的相干性或波动性不能忽视
区分经典和量子
粒子系统体现波动性：相干波长Lc ~粒子间距a
相干波长de Broglie波长
1】 理论方法—量子+经典
另外，利用热平衡体系
区分的模糊边界：量子简并温度
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凝聚态物理学的范围
粒子系统体现波动性：相干波长Lc ~粒子间距a
1】 理论方法—量子+经典
区分的模糊边界：量子简并温度
分析：m, a, T
常温下固体材料中的电子
气体中的分子
原子气体
光束
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凝聚态物理学的范围
（1）实空间中的凝聚：
气体：没有明确的表面，密度最低
液体：流动性弹性模量为0(宏观) 原子可离域 (微观)
固体：凝聚紧密形态，密度高，不易形变
2】 凝聚现象
从统计物理理解：
空间存在分厢化，即出现自由表面并存在势垒，
从而保持热平衡下两侧的密度差
（2）相空间中的凝聚：
超低温下Bose子的BEC
K=0时Fermi子的液滴
金属超导体中的库珀对
3He原子液体的超流
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凝聚态物理学的范围
热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小
3】 有序化
内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定
位置序---粒子间位置存在关联
凝聚过程不同平衡态间的相变
对称破缺，新次序的建立
有序化的体现：
固体：长程序
液体：短程序
气体：无序
量子状态下：
电荷密度波，自旋密度波，Wigner晶体
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凝聚态物理学的范围
热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小
3】 有序化
内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定
动量-能态序---粒子在能态结构中分布存在关联
凝聚过程不同平衡态间的相变
对称破缺，新次序的建立
有序化的体现：
BEC，BCS，SC ， FL
量子状态下：
有序相稳定的原因：粒子间波包的重叠造成整体关联，Bose受激天性使得粒子集群到共同的波动状态。
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凝聚态物理学的范围
热力学平衡态：自由能U-TS或Gibbs能取极小
3】 有序化
内能与熵的博弈，有序与无序的调和稳定
自旋序---自旋在位行或动量空间中排布关联
凝聚过程不同平衡态间的相变
对称破缺，新次序的建立
有序化的体现：
顺磁体(无序)
铁/反