凝聚态物理前沿

凝聚态物理前沿

聚态物理学是一门以物质的宏观物理性质作为主要研究对象的学科。所谓“凝聚态”指的是由大量粒子组成，并且粒子间有很强的相互作用的系统。自然界中存在着各种各样的凝聚态物质，它们深刻地影响着人们日常生活的方方面面。在最常见的三种物质形态——气态、固态和液态中，后两者就属于凝聚态。低温下的超流态、超导态、超固态、玻色-爱因斯坦凝聚态、磁介质中的铁磁性、反铁磁性等，也都是凝聚态。凝聚态物理学是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。它是以固体物理学为主干，进一步拓宽研究对象，深化研究层次形成的学科。其研究对象除了晶体、非晶体与准晶体等固体物质外，还包括稠密气体、液体以及介于液体与固体之间的各种凝聚态物质，内容十分广泛。其研究层次，从宏观、介观到微观，进一步从微观层次统一认识各种凝聚态物理现象；物质维数，从三维到低维和分数维；结构从周期到非周期和准周期，完整到不完整和近完整；外界环境从常规条件到极端条件和多种极端条件交叉作用，等等，形成了比固体物理学更深刻更普遍的理论体系。经过半个世纪的发展，凝聚态物理学已成为物理学中最重要、最丰富和最活跃的分支学科，在诸如半导体、磁学、超导体等许多学科领域中的重大成就已在当代高新科学技术领域中起关键性作用，为发展新材料、新器件和新工艺提供了科学基础。前沿研究热点层出不穷，新兴交叉分支学科不断出现，是凝聚态物理学科的一个重要特点；与生产实践密切联系是它的另一重要特点，许多研究课题经常同时兼有基础研究和开发应用研究的性质，研究成果可望迅速转化为生产力。

这学期有幸选上了凝聚态物理前沿这门课程，聆听了多位教授的研究方向报告，受益匪浅，对凝聚态物理的知识体系以及研究方向有了更深刻的了解。为此，我在期末总结了几位老师的报告内容，作为课程报告。

有几位老师的研究方向是声学人工结构，以及人工周期结构中的Dirac锥和谷相关特性。几个报告内容内容属于一个声学大方向，所以可以在一起总结。光和声是人类生活最密切相关的两种波，人类通过它们来感知世界并实现实现交流。认识并利用光和声，拓展人类认知自然的能力， 生活品质，贯穿了整个人类的发展史。1987年，以光子晶体的概念提出为目标，人们首次提出了用人工结构来调制光波，从而实现对光更有效操作的思想。同样的想法很快被拓展应用于声波，声子晶体的概念也与1993年被提出，作为人工结构，光子晶体和声子晶体主要以布拉格散射机制实现对波的调制，因而它们的结构尺度都与工作波长相当。 光子晶体或声子晶体属于波长尺度范畴，而作为另一大类人工机构的超构材料则属于“亚波长”尺度范畴，即超构材料的结构尺度远小于其工作波长，因为这一特点，使在超构材料中传播的波不能分辨其结构，所以超构材料可视为是均匀的有效介质，可用有效参数描述。用“亚波长”结构来调控波的思想主要形成于2000年左右。早期的超构材料，无论是光学的，还是声学的，大多是含共振单元的人工结构，所以材料参数可为负数。随着研究的进展，不含共振单元的超构材料也值得关注。这类材料研究的主要目标是利用结构设计来获取合适的材料参数，具有宽带、低耗散等优点，更适合在隐身等问题中应用。

值得指出的是，目前人们对于超构材料这一术语含义的理解，并不完全同意。除了上述含义，它有时还有更宽的含义，这包括如金属表面等离激元微纳结构，有时甚至还包括光子晶体和声子晶体，但结构尺度是亚波长，也可用有效材料描述，这也是目前大多数人接受的超构材料的定义。

质量密度是材料的重要声学参数，利用结构单元的谐振子模型，可解析地得到这种材料的有效质量密度公式、其结果显示与图。可以看到，在400HZ和1400HZ两个频率附近，这种材料的有效质量密度公式。其结果显示了。可以看到，上述局域共振结构产生负有效质量密度的物理图像：当入射波频率增加到结构单元的共振频率时，发生谐振子偶极共振，刚越过共振频率时，结构单元中铅球的运动变得与基体的运动相反，即铅球的加速度方向变得与基体的运动反向，即铅球的加速度方向变得与结构单元的受力方向相反，而铅球的加速度方向变得与结构单元的受力方向相反，而铅球的质量是结构单元质量的主体，导致结构单元整体上表现出负质量响应，我们看到，这里负质量响应是共振结构动力学行为的一种表现，在静态情况下质量是不能为负的。

前面利用“弹簧与质量”偶极共振结构实现了负有效质量密度。可以设计具有单击共振的结构来实现负有效体模量。考虑到气泡在水中具有强烈的单击共振。如果把偶极共振和单击共振两种结构单元并入到同一结构中，即可实现有效质量密度和有效质量密度和有效体模量同时为负的超构材料。为使两种共振的频率一致，先对产生负有效质量密度的结构进行重新设计，其结构为橡胶包裹的金球在环氧树脂基体中排列成面心立方。利用双负声学超构材料的负折射效应，可以把声学超构材料制成平板透镜，实现亚波长成像。

自然材料的声学参数都是正的，如果用全部独立声学参数为坐标建立一个多维空间，自然材料只能位于这个空间的第一象限。人工设计使声学超构材料的有效声学参数可以是单负、双负直至全负的，因而材料参数可以是单负、双负直至全负的，因而材料参数可覆盖参数空间的全部象限，不仅如此，自然材料由于性质相对固定，在参数空间一般表现为离散的分布，而可设计性使声学超构材料的声学参数在参数空间可相对平滑地改变，所以，声学超构材料大大突破了自然材料的局限，可对声波提供前所未有的局限，可对声波提供更加灵活自如的操纵，像电磁或光学超构材料一样，完美“隐身”和“成像”可能是声学超构材料最具有价值的应用展望。除此之外，声学超构中声波新奇的传播方式，有可能提供全新的声学器件的设计和应用。

报告内容还有人工周期结构中的Dirac锥和谷相关特性。老师指出石墨烯属于二维六角晶格旋转散射单体导致一系列晶体对称性。老师还介绍了晶体内部结构的一系列现象：（1）K点是 C3v 对称性时，一直有Dirac锥；（2）K点是 C3 对称性时，六角形情形有Dirac锥，而三角形情形没有。并作出现象解释：分析二重简并的存在性，并证明简并点附近有线性色散。二重简并包括偶发性简并和确定性简并。其中确定性简并是在给定对称性的情况下，简并的存在是否敏感于其他参数，如填充率。然后可以进行对称性分析。当K点为C3v点群对称时，2D 不可约表示这为特殊转角下的体系提供了确定性的二重简并。当K点 为C3 点群对称时，三个1D 表示 （其中两个为复表示）似乎与任意转角的六角体系一直存在的二重简并相矛盾。老师还介绍了Berry相位。狄拉克锥态在倒空间中狄拉克点附近绝热演化一圈后的Berry位相：把倒空间的积分路径选取为狄拉克点附近任意小的圆形围道。对于具有C3v 的K点，上下带所对应的本征矢量。所以我们可以得到前述问题的答案：

（1）Dirac锥除了存在于具有 C3v 对称性的K点，还存在于布里渊区上其它的点； （2）Γ点不可能存在Dirac锥；

（3）以上结论对于标量波和矢量波体系都适用（在文章里以弹性波系统为例进行了论证）；

（4）这里提到的所有的Dirac锥都具有π的Berry位相；

随后老师还依次介绍了声子晶体中的谷涡旋态、镜面对称破缺、谷态的激发、类似Hall效应的谷分束现象、力矩效应。基于上述知识，可以得到一系列结论： （1）声子晶体中的谷态，声谷态的涡旋特征； （2）不同谷极化态的选择性激发，声谷态的激发选择定则； （3）声谷态的分束现象； （4）谷涡旋声场具有束缚并旋转微小颗粒的能力； 最后介绍的是声子晶体中的拓扑谷输运。基于前人的理论，经过层层优化，建立了连续性模型。 简并子空间： 00???,??i?pq???? 微扰哈密顿量 ?Hij???k?p?ij利用对称性分析对其化简： 22?????1qp?m?2?2vD?2?D???q???p???2?2vD? 基于上述理论最终得出以下结论： （1）打破镜面对称实现不同的声绝缘相 （2）不同绝缘相的声子晶体之间存在谷边缘态 （3）谷边缘态可由外来入射激发 （4）谷边缘态具有低反射输运特性 （5）系统地研究了二维人工周期结构中Dirac锥的存在性 （6）考察了声子晶体的谷涡旋态及其激发和力矩效应 （7）在不同绝缘相的晶体界面上观察到了声(光)谷边缘态 后摩尔时代的信息器件技术主要阐述了计算机集成芯片的发展。现代集成芯片中大于88% 的器件是由FET构成的。CMOS :是微电子主流技术。经典场效应晶体管工作原理：1：块材，体效应；2：扩散；3：量子效应，能带。实际上:IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。硅基技术发展的最终目的：单位成本下完成的计算任务增加。单个晶体管的成本缩减到原来的1亿分之一。经过长期发展，产生以下几个问题：问题：（1） 尺度缩减到纳米尺度，发展模式需要变化；（2）加工设备太贵，特别是门槛过高；（3）功耗过大导致过热，限制集成度。2008年路线图委员会认识到急需加速发展一两种最有前途的新型信息处理器件，因此要求新兴研究器件（ERD）和新兴研究材料（ERM）两个工作小组推荐一两种最有前途的新兴研究器件技术，用以制订详细的路线图，加速产业发展。2008年ERD/ERM 工作小组在详细考察了所有可能的技术后向IRC推荐了唯一的选择：碳基纳米电子学。2009年，路线图委员会（IRC） 支持ERD/ERM 工作小组选择碳基纳米电子学作为需要重点关注和投资的技术，用以加速半导体电子产业的发展。相关技术已被中电集团55所用于3英寸高速晶体管的研制并获得了较好效果。论文发表在IEEE EDL 36, 1284, (2015)，并被作为当季度的Popular论文之一。

物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。诸如力、声、热、光、电、磁等现象，以及物质的细微结构、它们的各种存在状态，小到原子及比它还小的基本粒子，大到天体宇宙都是它的研究对象。通常物理学分为力学、声学、光学、电磁学、无线电电子学、分子物理、原子物理、原子核物理、基本粒子、宇宙学等分支学科。物理学是一门以实验为基础的自然科学，它是发展最成熟、高度量化的精密科学，又是具有方法论性质、被公认为是最重要的基础科学。尽管有些理论在应用中目前还没有派上用场，但我们相信在将来的某一天必定会为人类做出贡献。正如法拉第发现电磁感应定律时有人问他你这个定律有什么用时，他回答的那样：一个初生的婴儿，你能预料他将来会做出多么伟大的事业吗? 可以说物理学的发展，促进了各个领域科学技术的进步。使人类的生产和生活发生了翻天覆地的变化。物理学的发展引发了一次又一次的产业革命，推动着社会和人类文明的发展。可以说社会的每一次大的进步都与物理学的发展紧密相连。 现在，人类对物理现象的探索，已经在一条更为广阔更为深入的阵线上展开，原子核物理和基本粒子物理学，凝聚态物理学、统一场论，都是现代物理学中最活跃的分支。宇宙的起源和微观的超弦理论是现代理论物理的前沿。物理学的魅力不尽于此。它理论的简洁性、抽象性、统一性、对称性以及许多妙趣横生的结论，把我们带入一个奇妙的境界。使我们心旷神怡，乐此不彼。由于社会的转型，物理学不像多年前那样受国人追捧了。但它在科学技术发展中的基础地位任然是不容置疑的。

经过一个学期的学期，我对凝聚态物理又有了更深刻的了解，并意识到了理论知识的重要性。对凝聚态物理的知识体系以及研究方向有了更深刻的了解。同时，我对物理专业研究前景以及就业方向有了了解，再次感谢老师们的课程报告。

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