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Neutron Scattering and Strongly Correlated Physics 中子散射与强关联物理

Neutron Scattering and Strongly Correlated Physics 中子散射与强关联物理. 鲍威 中国人民大学 物理系. 大纲. 什么是强关联物理 中子散射简介 晶体结构 磁长程序结构 有序 - 无序相变（二级相变），序参数 元激发：声子，磁子 非色散型磁激发谱 非常规超导体研究中的应用. 强关联物理 — 凝聚态物理的前沿分枝. 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

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  1. Neutron Scattering and Strongly Correlated Physics 中子散射与强关联物理 鲍威 中国人民大学 物理系

  2. 大纲 • 什么是强关联物理 • 中子散射简介 • 晶体结构 • 磁长程序结构 • 有序-无序相变（二级相变），序参数 • 元激发：声子，磁子 • 非色散型磁激发谱 • 非常规超导体研究中的应用

  3. 强关联物理—凝聚态物理的前沿分枝 • 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 • 远非夕阳学科，不少未知领域 • 强关联物理：最具智力挑战的前沿领域之一

  4. 凝聚态物理:非相对论性量子统计物理

  5. 经典力学-多体引力问题: 无精确解

  6. 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 • 慧星落地: 物种灭绝

  7. 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 王孝群：重整化群方法 （7月13-14日）

  8. 自由电子近似 惯性地球 • 费米气模型（Sommerfeld，1927）： Fermi-Dirac Statistics, vs. Maxwell-Boltzmann conduction in metal （1868-1951）

  9. 独立电子近似 行星绕日运动 卢仲毅：LDA计算 （7月16日下午）

  10. 晶格周期性—Bloch Theorem • 电子能带理论 • 金属，绝缘体 • 半导体 • Shockley,Bardeen, Brattain (1956) • Koln，Pople (1998) Felix Bloch (1952 Nobel Prize in Physics)

  11. LaFeAsO正常态的能带，费米面 闻海虎，张清明：7月15日

  12. 元激发相互作用 星际微扰 • 声子（phonon）— 核晶格振动的量子 • 磁子（magnon）— 磁矩晶格振动的量子 • 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效应

  13. 独立电子近似 行星绕日运动 HartreeApproximation

  14. 独立电子近似的毛病：交换反对称 Hartree-FockApproximation

  15. Hubbard 模型 (1964)

  16. 电子相互作用导致绝缘体—Mott相变 d=∞ (1993) C. Zener

  17. 电子相互作用导致绝缘体—Mott相变 • NiO insulator, Zener 1930s • Mott 1930-1970s • Hubbard 1964 • Brinkman & Rice 1970 • Several groups 1990s- C. Zener

  18. Mott绝缘体中的反铁磁序: J=t2/U P.W. Anderson 1950s

  19. 对费米液体的微扰 星际微扰 • 电子-杂质散射：输运，电阻， Anderson金属-绝缘体相变(1977) • 电子-磁杂质散射：输运， Kondo效应(1982) • 电子-波色子散射：电阻，BCS超导(1913，1972) • 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(1977)，非常规超导 费米液体相并非总是稳定的基态： 存在其它相

  20. 超越微扰论—新的物质相：费米子系统 • 超导电性 Onnes1911 (1913)；Bardeen-Cooper-Schrieffer理论 1957 (1972);Abrikosov, Ginzburg 1950s (2003) • 3He超流 Lee, Richardson & Osheroff 1971 (1996)；Leggett1972(2003) • 量子霍尔效应 Klitzing1980 (1985) • 分数量子霍尔效应 Störmer & Tsui1982; Laughlin1983 (1998)

  21. 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 Müller & Bednorz 1986 (1987) • Anderson 绝缘体，Mott 绝缘体（1977）

  22. 磁及其它相变 • 铁磁 PierreCurie（1903） • 气-液相变 van der Waals (1910) • 反铁磁，亚铁磁 Néel（1970） • 自旋玻璃相变 1970s • 液晶，高分子相变 de Gennes (1991) • 4He超流 Kapitsa1937 (1978)；Landou理论 (1962) • 冷原子气体的Bose-Einstein凝聚 Cornell & Wieman 1995(2001)

  23. 量子微观世界真得存在吗？ • 电子真按Bloch波函数构成能带吗？ • 真有声子，磁子吗？ • 反铁磁序真能存在吗？（Landau的疑问） • 晶体里的原子真是规则排列的吗？ • ……

  24. 眼见为实：现代科学400年

  25. 晶体结构：x-ray 1912 1914 Laue (1914 Nobel Physics) Bragg (1915 Nobel Physics)

  26. 中子能衍射吗？ • 波-粒二相性 • 1927 电子衍射 G.P. Thomson (UK) Davisson-Germer (US) (1937 Nobel Physics)

  27. 中子衍射有什么优势？ • X-ray衍射强度~Z2 • 中子衍射强度无规

  28. 轻原子在晶格中的位子

  29. 高温铜氧化物超导体中氧的位置

  30. 中子衍射有什么优势？ 同一元素的不同 同位素，散射强度不同

  31. Ferrimagnetic order of 磁石 Louis Néel (1970 Nobel Physics)

  32. Shull，1994NobelPrizeinPhysics

  33. Néel 只预见到collinear磁序 • 中子衍射发现众多更复杂的noncollinear磁序

  34. Magnetic structures: 11 vs 1111 or 122

  35. 量子微观世界真得存在吗？ • 电子真按Bloch波函数构成能带吗？ • 真有声子，磁子吗？ • 反铁磁序真能存在吗？（Landau的疑问） • 晶体里的原子真是规则排列的吗？

  36. 非弹性中子散射之父—Brockhouse 1994Nobel Physics Prize

  37. 三轴谱仪

  38. 晶体中的元激发谱—声子

  39. Ge: phonon

  40. 晶体中的元激发谱—磁子

  41. 大纲 • 什么是强关联物理 • 中子散射简介 • 晶体结构 • 磁长程序结构 • 有序-无序相变（二级相变），序参数 • 元激发：声子，磁子 • 非色散型磁激发谱 • 非常规超导体研究中的应用

  42. 磁相变的序参数：<M(T)>

  43. 序参数 • 液-气临界点：n • 磁相变：M • 超导，超流： ψ(x) (ns=|ψ|2) • 自旋玻璃: ∞维张量 • Mott绝缘体：？ 序参数

  44. 磁激发谱 • 局域(localized)磁系统: magnon (spin-wave)

  45. 磁激发谱 • 巡游itinerant系统： continuum 连续谱

  46. 磁激发谱 • 量子S=1/2链系统： RVB基态 continuum 连续谱 李涛：7月14日下午

  47. 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 Müller & Bednorz 1986 (1987) • Anderson 绝缘体，Mott 绝缘体（1977）

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