固体物理绪论

固体分类 晶体 原子按一定的周期排列规则的固体（长程有序）天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶非晶体 原子的排列没有明确的周期性（短程有序）玻璃、橡胶、塑料准晶体 1984 年 Shechtman用快速冷却方法制备的 AlMn合金Crystal Structure of CaCO3Crystal Structureof YBaCuO绪 论 一 、固体物理的研究对象 及其重要性简述 研究固体结构及其组成粒子 (原子、离子、电子 )之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科 为多学科（力、热、电、光、原、冶金、材料等）提供微观研究的基础； 高新技术发展的动力，如晶体管、超导体、固体激光器（能量比气体激光器大）、通信、计算机、新材料等诸多领域 是物理学中最庞大，发展最迅速的应用科学，涉及范围广、研究层次多、问题错综复杂Shape of Snow CrystalBe2O3 Crystal and Glass of Be2O3理想晶体 内在结构完全规则的固体 _做完整晶体实际晶体 固体中或多或少地存在有不规则性，在规则排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体 电子衍射图中具有五重对称的斑点分布 介于晶体和非晶体之间的新的状态 准晶态二、 固体物理的发展过程 概述 晶体规则的几何形状和对称性与其它物理性质之间有一定联系 ;晶体外形的规则性是内部规则性的反映 十七世纪惠更斯以椭球堆积的模型来解释方解石的双折射性质和解理面 十八世纪，阿羽依认为晶体由一些坚实、相同的平行六面形的小 基石 ” 有规则地重复堆集而成的 十九世纪中叶，布拉伐发展了空间点阵学说概括了晶格周期性的特征 十九世纪末叶， 费多洛夫 ， 熊夫利 、 巴罗 等独立地发展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步研究晶体结构的规律提供了理论依据 描述晶体比热 _杜隆珀替 定律描述金属导热和导电性质的 魏德曼佛兰兹 定律 二十世纪初 特鲁德 和 洛伦兹 建立了经典金属自由电子论，对固体认识进入一个新的阶段 1912 年， 劳厄 指出晶体可以作为 X射线的衍射光栅 爱因斯坦 引进量子化的概念来研究晶格振动 索末菲 在金属自由电子论基础上，发展了固体量子论 费米 发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的过程指出了方向 20 世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学 量子理论发展正确描述了晶体内部微观粒子运动过程 固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有一类固体，其导电性质介于两者之间 _半导体 20 世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的出现并制成了晶体三极管 _ 产生了半导体物理 1960 年诞生的激光技术对固体的电光、声光和磁光器件不断地提出新要求三、 固体物理的学科领域 高纯度的完整晶体、杂质、缺陷对金属、半导体电介质、磁性材料以及其它固体材料性能的影响 一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物质发光等材料的各种性质 强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下材料表现出的各种现象 探索新材料和设计新器件 超导理论、多体理论、非晶态理论、表面理论光与物质相互作用等 发展制备材料和器件的新工艺和新理论 固体物理学负担着重大的理论课题固体物理领域金属物理半导体物理晶体物理磁学电介质物理液晶物理固体发光超导体物理固态电子学固态光电子学固体光谱强关联物理纳米物理表面物理介观物理四、近 10年来的诺贝尔物理学奖情况 2000年： 阿尔费罗夫 （俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论，并开发了异层结构的快速晶体管、 激光二极管 ； 杰克 基尔比 （美国）发明 集成电路阿尔费罗夫 （俄国） 克罗默（德国）阿尔费罗夫用克罗默的理论，于 1966年研制出第一个实用的异型结构电子器件。之后，他们制作了第一支异型结构激光二极管，使光纤通信成为可能，并逐步用于通讯卫星、条码阅读机、手提电话等领域。杰克 .基尔比发明第一颗积体（集成）电路 IC 杰克 基尔比 （美国 ）2001年：克特勒（德国）、康奈尔、 卡尔 E 维曼（美国）在 “ 碱金属原子稀薄气体的 玻色爱因斯坦凝聚 态 ” 以及 “ 凝聚态物质性质早期基本性质研究 ” 方面取得成就 在正常温度下，原子可以处于任何一个能级，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，表示原来不同状态的原子突然 “ 凝聚 ” 到同一状态。 1995年 6月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻色 -爱因斯坦凝聚态。 2002年： 雷蒙德 戴维斯 、 里卡尔多 贾科尼 （美国）、 小柴昌俊（日本） “ 表彰他们在 天体物理学 领域做出的先驱性贡献，其中包括在 “ 探测宇宙中微子 ” 和 “ 发现宇宙射线源 ” 方面的成就。 雷蒙德 戴维斯 小柴昌俊里卡尔多 贾科尼2003年： 阿列克谢 阿布里科索夫 、 安东尼 莱格特（美国）、 维塔利 金茨堡 （俄罗斯） “ 表彰三人在超导体 和 超流体 领域中做出的开创性贡献。 ” 阿列克谢 阿布里科索夫 安东尼 莱格特 维塔利 金茨堡阿布里科索夫发现超导和强大的 磁场 可同时存在：使超导成为非同质的，让 磁力线 在 涡流 中以集束形式穿过超导体。这一理论指出了 型超导体的存在。这种材料可用来制造 医疗器械 ，还可以广泛用于物理研究中的 粒子加速器 。2004年： 戴维 格罗斯 （美国）、 戴维 普利策 （美国）和 弗兰克 维尔泽克 （美国），为表彰他们“ 对量子场中夸克渐进自由的发现。 ” 构建适用于所有物质的 “ 万有理论 ” 。戴维 格罗斯 戴维 普利策 弗兰克 维尔泽克2005年： 罗伊 格劳伯 （美国）表彰他对光学相干的 量子理论的贡献； 约翰 霍尔 （ John L. Hall，美国）和 特奥多尔 亨施 （德国）表彰他们对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献。罗伊 格劳伯 约翰 霍尔 特奥多尔 亨施2006年： 约翰 马瑟 （美国）和 乔治 斯穆特 （美国） 表彰他们发现了 黑体 形态和宇宙微波背景辐射的扰动现象。约翰 马瑟 乔治 斯穆特他们的发现为宇宙的起源提供了第一个清楚的认识，支持了大爆炸假说。他们发现了宇宙微波背景辐射的各向异性，使人们有可能明白地了解象星系、星体这样的结构是如何从各向均匀的大爆炸中产生，而这是宇宙学中最令人着迷的迷题之一。大爆炸之后的各向异性，作用于星系的发展，形成今天这个状态。 2007年：法国科学家 艾尔伯 费尔 和德国科学家 皮特 克鲁伯格 ，表彰他们发现 巨磁电阻效应 的贡献。 艾尔伯 费尔 皮特 克鲁伯格巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。被用于开发研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头（ Read Head）。这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。 2008年：日本科学家 南部阳一郎 ，表彰他发现了亚原子物理的对称性自发破缺机制。日本物理学家 小林诚 ， 益川敏英 提出了对称性破坏的物理机制，并成功预言了自然界至少三类夸克的存在。 南部阳一郎小林诚 益川敏英2009年：英国籍华裔物理学家 高锟 因为 “ 在光学通信领域中光的传输的开创性成就 ” 而获奖；美国物理学家韦拉德 博伊尔（ Willard S.Boyle）和 乔治 史密斯 （ George E.Smith）因 “ 发明了成像半导体电路 电荷藕合器件图像传感器 CCD” 获此殊荣。 五、 固体物理的研究方法 固体物理是一门实验性学科 为阐明固体表现出的现象与内在本质的联系，建立和发展关于固体的微观理论固体是一个复杂的客体 每一立方米中包含有约 1029个原子、电子，而且它们之间的相互作用相当强固体的宏观性质 就是大量粒子之间的相互作用和集体运动的总表现1. 根据晶体中原子规则排列特点，建立晶格动力学理论，引入声子的概念，阐明了固体的低温比热和中子衍射谱2. 金属的研究 抽象出电子公有化的概念，再用单电子近似的方法建立能带理论3. 物质的铁磁性 研究了电子与声子的相互作用，阐明低温磁化强度随温度变化的规律4. 超导的理论 研究电子和声子的相互作用，形成库柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变1. 人造材料、超晶格半导体、 MBE、 CVO等2. 量子霍尔效应：电势差按量子变化而非连续变化3. 降维效应：三维 二维 一维 零维（量子点）4. 电荷密度波、自旋密度波六、固体物理学领域的一些重要进展 5. 无序：等效介质 +微扰6. 混合原子价7. 3He的超流相（低温下流动无阻力）8. 重整化群的方法（处理多体问题、相变、临界点等）9. 混沌现象10. 同步辐射11. 原子显微镜、原子探针12. 金属氢（ T20k,液态； T14k，固态；常温下加压也可为固态） 储氢材料13. 氧化物超导体（ 86年诺贝尔奖）（中国的最高温超导为 90K）14. 分形和分维（自相似）15. 准晶（晶体 长程有序，准晶 有短程序、无长程序）（急冷方式获得）16. 细小体系、团簇、 C60、介观物理17. 有机导体、高分子材料（具有掺杂导电性）