723-中子散射在强关联物理中的应用-鲍威

中子散射在强关联物理中的应用,鲍威中国人民大学物理系,中子散射实验室暑期讲习班2013.07.23,什么是强关联物理？,物质的三种经典状态：固-液-气,强关联物理：凝聚态物理的一个前沿领域,凝聚态物理的研究对象：固体，液体大量粒子集合的量子物理物理学最大的研究领域，1/3高科技社会的基础：电脑CPU（半导体），手机天线（铁电体），冰箱门（磁铁），等强关联物理：最具智力挑战的前沿领域之一,凝聚态物理:非相对论性量子统计物理,量子多体问题,经典力学中的多体引力问题:无精确解,地球上的经典力学:惯性参照系,大部分情况,不用考虑天体运动的影响地球自转:气候-大气环流,洋流月球运动:潮汐太阳死亡:太阳系消失,地球运行的经典力学,二体引力问题存在封闭解地球在太阳的引力场中的运动月球在地球的引力场中的运动月球运动对地球轨道的微扰各行星分别在太阳的引力场中的运动各行星运动对地球轨道的微扰,自由电子近似惯性地球,费米气模型（Sommerfeld，1927）：Fermi-DiracStatistics,insteadofMaxwell-Boltzmannconductioninmetal,（1868-1951）,独立电子近似行星绕日运动,晶格周期性BlochTheorem,电子能带理论金属，绝缘体半导体Shockley,Bardeen,Brattain(1956)Koln，Pople(1998),FelixBloch(1952NobelPrizeinPhysics),LaFeAsO正常态的能带、费米面,元激发相互作用星际微扰,声子（phonon）核晶格振动的量子电子-波色子散射：电阻，BCS超导电子-电子散射：屏蔽效应，Landau费米液体理论，Mott金属-绝缘体相变，非常规超导电子-杂质散射：输运，电阻，Anderson金属-绝缘体相变电子-磁杂质散射：输运，电阻，Kondo效磁子（magnon）磁矩晶格振动的量子,独立电子近似行星绕日运动,HartreeApproximation,独立电子近似的毛病：交换反对称,Hartree-FockApproximation,Hubbard模型(1964),电子相互作用导致绝缘体Mott相变,NiOinsulator,Zener1930sMott1930-1970sHubbard1964BrinkmanAbrikosov,Ginzburg1950s(2003)3He超流Lee,RichardsonLaughlin1983(1998),费米子物态（续）,Kondo效应1964:K.G.Wilson(1982)Kondo晶格重费米子现象，及其超导态1979高温铜氧化物超导体Mller1980sGerdBinningandHeinrichRohrer:scanningtunnelingmicroscope(1986Physics)1950sCliffordG.Shull:neutrondiffraction(1994Physics)FelixBlochandEdwardM.Purcell:NMR(1952Physics)1960-70sRichardErnst:NMRstructureidentification(1991Chemistry)1980sKurtWthrich:NMRproteinstructuredeterminationinsolution(2002Chemistry)PaulC.LauterburandPeterMansfield:magneticresonanceimaging(2003Medicine),中子散射截面的理论描述,非相对论量子力学核散射磁偶极子散射,Fermispseudopotential:,布拉格弹性散射的非弹性推广,弹性与非弹性中子散射,vanHove:1960sinBrookhavenNationalLaboratory,Hooke定律及材料的广义线性响应理论,极化中子散射,半极化中子散射,非极化中子散射,谱仪的分辨函数可知,传统谱仪：解析近似函数新建谱仪：数字模拟函数,中子散射截面的理论描述,中子散射是少有的定量散射测量手段,反铁磁序,证实经典反铁磁预言发现新磁序类型序参量、临界现象量子磁序,Nel只预见到collinear磁序,中子衍射发现众多更复杂的noncollinear磁序,2)arXiv:1102.0830,M=3.3B/Fe,K0.83(2)Fe1.64(1)Se2,Mott强关联金属的螺旋反铁磁结构,铁基超导母体材料的3种反铁磁结构,1111:PRL101,257002(2008)122:PRL101,257003(2008),11:PRL102,247001(2009),磁相变的序参数：,Fisher-Langer独立电子vs.近藤晶格关联电子,序参数,液-气临界点：n磁相变：M超导，超流：(x)(ns=|2)自旋玻璃:维张量Mott绝缘体：？拓扑相变：？,一维反铁磁体元激发：取决于自旋为整或半整数,Spinon-pairexcitationspectrumforS=1/2,“基态”：,“磁子”激发：,M.Arai,M.Fujitaetal.PRL,非弹性中子散射,超流液氦的旋子谱,Rotonat1.5K,LevLandau1962NobelPhysicsforliquidhelium,超流液氦的旋子谱,Rotonat1.5K,非弹性中子散射Brockhouse,1994NobelPhysicsPrize,三轴非弹性中子散射谱仪,通过晶体的Bragg衍射，确定中子的动量、能量,三轴谱仪,晶体中的元激发谱声子,Ge的声子谱,磁激发谱,局域(localized)磁系统:磁子magnon或自旋波spin-wave,磁激发谱,巡游itinerant系统：continuum连续谱,Moriya巡游反铁磁理论：定量正确,既测晶体结构、又测磁关联,轨道序的发现,综合各个方面的信息,铁基超导母体材料的3种反铁磁结构,1111:PRL101,257002(2008)122:PRL101,257003(2008),11:PRL102,247001(2009),Q.Huangetal.,PRB78,054529(2008),铁基高温超导材料的物理机理,H.Chenetal.,EPL85,17006(2009),T.J.Liuetal.,NatureMaterials9,718(2010),MagneticexchangeJdeterminedbyorbitaloverlap,OrderedpatternofJcomesfromorderedpatternoforbitaloccupation,TypeII:simultaneous1storderMagnetostructuraltransition,1111:delaCruzetal.Nature(2008),122:Q.Huangetal.PRL101,257003(2008)11:W.Baoetal.,PRL102,247001(2008),TypeI:structuretransitionfollowedbymag.transition,超导自旋共振激发峰,超导对称性,WhatisthesuperconductingsymmetryfortheFe-basedsuperconductors?S-waveorS+/-,ARPES:|(q)|,Neutronscatteringmeasuresspin-pairexcitations,Also:,Resonancepeakin122superconductors,Polycrystallinesample,Singlecrystall