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纳米粒子与一样尺度物体相较,在力、热、电磁和光等方面具有显著不同的特性,它们不仅成为以后新材料研究的基础,而且也为人类在熟悉客观世界上展开了一个新的层次,与此相应兴起了介观物理学的研究。
现今凝聚态物理学已成为物理学最活跃的前沿领域,它不仅冲破了传统固体物理学,使研究对象日趋多样化和复杂化,又由于许多有价值的发觉出此刻彼此交叉的学科领域,它又对增进交叉学科的进展,显现出壮大的活力。
它的实验手腕、理论概念与技术不断地向着化学物理、生物、地球物理、天文、地质等领域渗透,从DNA晶体结构到地球板块驱动力的研究,从量子电子器件的机理到新材料的研制,无一不与凝聚态物理学有关。
凝聚态物理在物理学乃至整个自然科学中,正在显示出日趋壮大的阻碍力。
学科研究范围:
研究凝聚态物质的原子之间的结构、电子态结构和相关的各类物理性质。
研究领域包括固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理(包括薄膜物理、表面与界面物理和高分子物理)、液体物理、微结构物理(包括介观物理:
)与原子簇)、缺点与相变物理、纳米材料和准晶等。
(一)高临界温度超导研究
1.高温氧化超导材料的发觉与超导机制的研究
迄今为止,已有5位物理学家由于超导电性的研究而取得诺贝尔奖。
他们是:
1957年提出BCS超导微观理论的美国物理学家巴丁()、库珀()、施里弗(.Schriffer),于1972年获奖,从理论的提出到获奖时隔15年;
1960年发觉单电子超导隧穿效应的美国物理学家贾埃佛();
1962年预言约瑟夫森效应的英国物理学家约瑟夫森(),他们时隔11年后,于1973年获奖;
1986年,在国际商用机械公司(IBM)苏黎士研究室工作的瑞士物理学家缪勒()和他的学生、德国物理学家柏诺兹()发觉Ba-La-Cu-O系统物质的高温超导性,于1987年获奖。
他们的这一工作,如此快速地取得了诺贝尔评奖者的承认,这在诺贝尔颁奖历史中是极为罕有的,由此看出柏诺兹和缪勒工作的重要意义。
伴随着超导临界温度提高到液氮温区以上,超导技术的应用发生了一场新的技术革命。
超导技术的阻碍,专门快地涉及到了电力工程、电能输送、电动机与发电机的制造、磁流体发电、超导磁悬浮列车、超导运算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高能加速器与高能物理研究等多种领域与学科。
尽管高温超导体在有效上仅只处于开端,但它的远大前景已经展现出来了。
1986年以来,瑞士、美国、***、中国等国的科学家们,接踵发觉了多种高温氧化物超导材料。
这些发觉,在国际上引发了庞大的反应。
目前,超导体的零电阻转变温度已经达到上百K。
可是,这主若是实验物理学家的探讨功效,在理论研究方面,仍尚未给出一种圆满的说明。
超导理论研究与超导实验研究的飞速进展极不相适应。
从这一角度看,高温氧化物超导材料的发觉,无疑也是对超导理论研究的庞大冲击。
BCS理论是第一个成功的微观超导理论。
它专门好地说明了大多数元素的超导性质。
这一理论的起点是电声子的彼此作用。
两个电子由于互换虚声子而产生引力,当这一引力超过库仑斥力时,电子双双地结成库珀对。
库珀对的行为就像一个松散结合的大分子,它们在空间延伸的范围远大于晶格常数。
成千上万个库珀对彼此交叠,使电子系统取得某种“整体刚性”,它们能克服个别散射事件造成的阻力,而产生零电阻现象。
同时,它们还能抗拒外来磁场的进入,而致使迈斯纳效应。
但是,新发觉的氧化物超导体都有一个一起的特点,即具有一个铜-氧层,并表现为空穴导电。
BCS理论在Cu-O在高温超导体中,效应并非明显,人们不能不对BCS理论的适应性提出了疑心。
1987年,安德森()提出了共价键理论①。
该理论以为,氧化物超导体的母晶体,能够以为是莫脱(Mott)型绝缘体,其中的电子由于强彼此关联作用被定域在各个格点周围。
相邻格点的电子自旋相反而组成单重态共价键。
通过搀杂后,局域化的共价键系统受到驱动,通过超互换作用,使其退局域化而流动起来。
假设在流动中还能维持原有的配对关系,那么可视为大量定域共价键发生共振而转变的一种超流的库珀对集合,绝缘晶体那么转化为超导体。
这种由实空间定域配对转变成能量空间的非局域配对机制,称为“共振价键理论”。
这一理论是一种全电子理论,它与晶格振动没有直接联系,它能说明新的超导体的弱同位素效应。
可是,由于用它说明具体问题时,还需引入一些辅助性假设,目前还未取得公认。
考虑到新超导材料的空穴导电机制,另一种激子理论以为,氧化物超导体可视为在氧化铜层双侧各有一金属层,而形成夹层结构。
当金属层中的电子靠近氧化铜层时,电子的波函数部份有可能隧穿入氧化层,使其中的负电荷被排斥而显示一个带正电的空穴。
电子与空穴的库仑吸引,形成电子-空穴束缚对,称为激子。
同时带正电的空穴还能把另一侧金属层中的一个电子拉过来,于是两金属层中的电子,通过氧化层的空穴两两配对,组成库珀对而实现超导态。
激子机制理论能够说明氧化物超导体的空穴导电、各向异性输运等特点。
问题在于是不是能把这种结构视为金属层与氧化物层的交叠,该理论还有待进一步完善。
2.重费密子体系及其超导电性研究
电子比热系数γ>400mJ/mol·
K2的物质,常被称为重费密子系统。
它比一样材料的γ值高出1~2个数量级。
因为γ值与费密能级的态密度成正比,而后者又与电子的有效质量成正比,γ值越大意味着电子的有效质量越高,故称为重费密子系统。
1975年,安德鲁斯()等人发觉,化合物CeAl3低温下的电子比热反常现象,电子比热系统γ值达到1620mJ/mol·
K2。
1979年,德国达姆斯塔特的斯泰格利士()研究小组发觉了重费密子系统CeCu2Si2的超导电性,其γ值为1100mJ/mol·
K2,电子有效质量约为100me①。
1983年,第二个重费密子超导体Ube13被发觉,Tc~,化合物中铀原子间距②。
1984年,美国洛斯阿拉莫斯的特瓦特(Tewart,.)小组又发觉了第三个重费密子超导体Upt3③,Tc~。
以后又陆续发觉了重费密子超导体NpBe13、U2Zn17、Ucd11和CeCu6等。
这连续串的发觉说明,高温氧化超导体发觉之前,重费密子超导电性曾一度成为热点课题。
但是在1986年以后,重费密子超导电性的研究一度被高温新超导材料的浪潮所淹没。
最近几年来,这一领域又陆续显现了一些十分引人关注的新现象。
最近几年来的实验研究发觉,在低温条件下,重费密子材料与通常的导电金属有着截然不同的性质。
第一,在室温以下,一样金属的电阻率随温度下降得专门快;
重费密子系统的电阻率却随温度下降而迅速上升,到50K处,有一极大值后,才随温度下降。
第二,重费密子材料的比热性质也与一样金属不同。
在通常金属中,比热能够用Cp=γT+βT2描述。
在低于10K的低温区,由于只考虑电子的热奉献,只计γT即可。
现在Cp/T与T的关系曲线具有正斜率,即Cp随温度下降而降低;
但是重费密子系统却相反,在低于10K的低温区内,Cp/T随温度T的下降而明显上升,γ也再也不为常数,它强烈地依托于温度,这种γp/T随温度下降而上升的性质称为比热反常。
比热反常说明,在趋于绝对零度时,重费密子体系的γ值专门大。
这说明,现在的电子密度在费密面周围专门大,也即处于这些状态的电子具有超级大的有效质量;
更有趣的是,这些材料在低温条件下的磁化率Xm也像γ值一样高于正常的金属。
因此有理由相信,这两个值的增值效应可能同出于一个源。
重费密子系统磁化率Xm专门大,这一点令人们想到,它们可能是由强重正化准粒子组成的费密液体。
1956年,前苏联物理学家朗道(Landau,LevDavidovich1908~1968)曾提出了有关费密液体的理论。
最近几年来,关于重费密子系统电子质量异样增大、它们的电子比热与BCS理论不符和它们有无新的超导机制等疑问引发了物理工作者普遍的爱好。
尽管重费密子体系的Tc不高,大约只有1K,在当前高温超导研究中,并无有效价值,可是人们发觉,它们的Tc对杂质十分灵敏,它们的超导性与磁性也有紧密的关系,这些方面,均与传统的超导材料有明显的不同。
研究它们的机制,将令人们对超导电性的熟悉更深化一步。
目前,各类模型与理论陆续提出,有人以为,重费密子的超导电性本源来自3p态原子的配对;
有人那么以为由于自旋相关造成强烈各向异性的1s态配对,总之各类探讨性的理论仍在进展中。
(二)微结构物理的兴起
1.纳米物理学的诞生
纳米结构指尺度为纳米数量级的超细微粒,它们属于原子与一样物质的中间领域的物质。
由于它们的尺度与电子的德布罗意波长数量级相差不多,因此具有许多异样的特性。
对纳米微粒及纳米固体的研究,开辟了人类熟悉世界的新层次。
早在1959年,美国闻名物理学家费因曼(Feynman,RichardPhilips1918~)在加州理工学院对美国物理学会的一次演讲时,曾卓有见地地预言:
“若是有一天能按人的意志安排一个个原子和分子,将会有什么奇迹?
……我毫不疑心,当在很小的尺度上操纵物体的结构时,咱们就能够使物体具有极端丰硕多彩的性质。
”
真正对纳米物理展开系统研究始于90年代初。
1982年,本尼格(G.Binnig)和罗假设尔(H.Rohrer)发明了扫描隧道显微镜(STM),它以高分辨率向人们展现了一个可见的原子、分子世界。
到了80年代末,扫描隧道显微镜已经由一个助视仪器进展为费因曼所假想的排布原子的工具。
90年代初,纳米物理学已经作为独立的学科研究领域正式诞生。
1990年7月,在美国巴尔的摩召开了第一届国际NST会议。
现在,两种专业国际刊物《Nonotechnology》与《Nonobiology》已经或即将出版;
***与英国等少数科技先进国家制定了进展纳米技术的国家科学计划;
美国自然科学基金会将纳米技术作为优先进展项目;
冠以纳米(Nano)的新名词和新概念,如纳米电子学、纳米材料、纳米加工和纳米生物学等,正式在各类科技书籍与文献中显现。
这一切都说明,纳米物理学已经作为一门正式的独立学科领域,步入了物理学的殿堂,它的诞生与进展,不仅对物理学,一样对整个自然科学与技术产生着重大的阻碍①。
2.AB与AC效应研究
1959年,阿哈勒诺夫(Y.Aharonov)和玻姆(D.Bohm)发表一篇论文②,该论文以为,在电子运动的空间中,不管是不是存在电磁场,电子波函数的位相都会受到空间中电磁势的阻碍。
由此他们做出结论,在量子理论中,电磁势要比经典电磁理论中的电场与磁场强度更成心义。
他们同时建议了几种能证明上述理论的实验途径,图1所示确实是其中的一种。
入射电子束在A点被分为两束,磁场B处于与图面垂直的螺线管中。
两支电子束在
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