Tuesday, June 2, 2015

ming01 mingda1986: 是“原子处于激发态”,而不是电子的激发态。这是因为电子本身没有结构,谈不上被激发。 声子不可以算是光子。声子作为原子链的振动,振动逐渐衰减,就湮灭了;看懂原子的激发态之后,接下来就是固体的激发态,=基态+准粒子/集体激发模式。然后,作为一个集体激发的例子,讲声子

准粒子和集体激发模式


www.global-sci.org/mc/issues/1/no3/freepdf/52s.pdf 轉為繁體網頁
orld of Mathematics 数学烟云. W. 数学文化/第1卷第3期. 52. 1915 年11 月25 日, 爱因斯坦向普鲁士科学院提交了广义. 相对论的论文。而在五天前,希尔伯特也向
基态的概念

一个系统的基态就是能量最低的态。在原子物理里,基态意味着电子都填入最低允许的能级,如图1中的铍(Be)原子。Be原子有四个电子。 按照能量从低到高填充电子的原则,两个会先填入1s轨道,另外两个填入2s轨道,构成基态。如果基态受到了外界的扰动,比如一束能量与能级差相同的光入射 到该原子,把电子打入到更高的轨道上,则构成Be原子的激发态。或说原子被光波所激发。




注意一点,这里的提法是“原子处于激发态”,而不是电子的激发态。这是因为电子本身没有结构,谈不上被激发。
除了光波,还有很多扰动可以激发一个系统;实际上任何的外界扰动,比如外加的电场或磁场,使材料变形的应力,甚至温度,都可以激发系统,使之处于另一个状态。在所有的扰动中,最普遍,最不可避免的激发,就是温度。
由于温度也可以产生激发态,所以在凝聚态物理(包含固体,液体等)里,基态的定义就是绝对零度(T=0K)时的物理态。这就基态的真正定义。相反,在原子 物理中,基态的定义是近似的。一方面,绝对零度时没有原子物理所研究的气态(物态都被凝聚),另一方面,只有特定波长的光才能激发原子到激发态(即把电子 打到高能级上),所以才近似的认为把电子填入低能级就是基态,而不考虑其温度。


低温凝聚态里的激发态

现在我们有了基态的定义,即绝对零度下的物态。然而,从自然界到实验室的真实环境的系统总处于有限温度中。有人不禁会问,如何描述处于有限温度的激发态呢?
原子物理主要研究单个原子,周期表里无外乎100多种元素,有了壳层理论,就不难描述每种原子的基态和激发态。然而在固体中,原子和不同的原子形成化学键,构成长程关联的结构,变幻无穷。举个例子来说,从周期表里,挑出La, Al, O, Sr, Ti这五种元素,经过特殊的排列,可以构成LaAlO3/SrTiO3的异质结,这个结构在两层绝缘体中间产生一层特殊的2维导电电子,如图2;再比如Li, Fe, P, O这四种元素,经过橄榄石排列,就组成了大名鼎鼎的磷酸铁锂LiFePO4,它是一种重要的锂电池阴极材料。



假设一种凝聚态材料由四种元素构成,那么就有100^4=1亿种花样;外加每种元素的化合价的变化,以及同样元素的结构变化,能产生的凝聚态材料更是层出不穷(实际上,这正是有人说凝聚态物理不会死的原因!)。
如此复杂,看似无穷无尽的凝聚态系统,该如何去描述?既然所有的原子都可以用壳层理论统一的描述,是否也有一种方式可以简单优美的描述凝聚态系统的一般特征呢?
这个看似不可能的任务,由20世纪许多伟大的物理学家们断断续续的完成,直到今天也没有完全结束。他们中的开山鼻祖,即凝聚态物理的创始人,前苏联的朗道,提出了一个重要的概念:
低能激发态=0K时的基态+集体激发和准粒子

如同壳层结构和元素周期表很好的描述了不同原子的基态和激发态,这个“准粒子和集体激发”的描述,就是千变万化的凝聚态系统的基态和激发态的普遍规律。
这里所谓的低能激发态,就是指的激发态能量比较低的能态,也就对应着低温的状态。在高温下,凝聚态可能会发生相变,比如气化成气态。
另一方面,由于构成物质的基本粒子,比如电子,质子,中子都是费米子(自旋为半整数),所以费米子的激发态叫做“准粒子”;而传递粒子之间相互作用的粒子,比如传递电磁作用的光子,都是玻色子(自旋为整数),所以玻色子的激发态叫做“集体激发”。




尽管从元素化合的角度,凝聚态系统复杂无比;然而,看似迥异的系统,本质上只由寥寥几种相同的准粒子和集体激发构成。因此,准粒子和集体激发的概念,构成了凝聚态物理的核心之一。它们二者又合称“元激发”(或说基本激发)。


集体激发之声子

我们听到声音,是由于声源的振动带动了空气的振动,空气的振动再传播到耳朵里,使鼓膜发生共振,振动信号经过神经转变为神经脉冲的电信 号,传递给大脑。另一方面,我们知道,如果把耳朵贴近钢轨,能够比在空气中更快地听到声音——钢轨也能传递声音。类比之,钢轨里的铁原子和碳原子也必然发 生了振动。
声子,就是原子们一起振动的最小单位。虽然声音也是振动的结果,它却和声音没有多少直接联系。声音是宏观的现象,声子描述的是微观尺度下,原子一起振动的量子力学现象。
什么叫“一起振动”呢?为了体现声子的物理,又尽可能地简化,假设有一个一维的原子链,如下图3a。每个原子核带Z个正电荷,电子简化为均匀负带电体。由 于原子的尺度比原子核大很多,这个物理图像就好像带正电的小球沉浸在负电的海洋里,或者说果冻布丁里的果粒(原子核)浸没在果胶(负电子海)中,每个原子 核都可以在平衡位置附近运动。假设某一时刻,一个原子被扰动,偏离了平衡位置(图3b)——这时暂且不管能够扰动它的原因,只是说它被扰动了——这时,由 于正电荷中心的移动,它旁边的原子核受到排斥,也不再处于平衡位置,而是被推开(图3c)。一个原子推着它相邻的原子运动,这个运动就沿着这个原子链,像 波一样,沿着原子链的方向传播下去。由于在固体中,原子的运动只是绕着周期结构的平衡位置附近做振动(而不是像气体中可以乱动),所以一个原子的运动,就 可以构成这个“一起振动”。
如果说没有振动,都处于平衡位置处的原子链是基态,那么有了这个可以传播的原子振动的原子链,就是激发了声子的激发态。
在空气中的声音传播,也是空气分子的运动,那为什么这里叫做声“子”呢?我们知道,光子的意思就是光从连续的波,变成了一颗颗,离散的粒子,这个声子也是 类似。虽然固体中,原子的振动被传播出去,但是能量却不是连续的,而是一个基本单位的正整数倍,好像一个个的粒子一样。这就叫做能量的量子化,原子振动的 能量的量子化,就是声子。由于原子是一起振动,而振动是一种激发,所以声子就是一种“集体激发”。



看来,声子只不过是原子集体的扰动。那么,它到底是像光子一样,实际存在,还是只是一种简便的描述方式?
初看来,声子只是原子核的扰动传播,直观来看,“实际存在的”只有电子和原子核。然而,在量子力学里,这个观念被深刻的变革了。在量子力学中,真正有意义的,就是可观测量,即能够被观察被测量的物理量。从这个角度,声子与光子无异。

光子有能量,有一定的波长(波长λ的倒数叫做波数k=2π/λ)。光子的能量E可以写成E=pc=ħkc,其中p是光子的动量,c是光速,ħ是一个基本物 理常数。对于声子,在实验上也看到了类似的关系,如图4。如前章节所述,读图先看横轴和纵轴是什么,再看它们的关系。本途中,横轴即声子的波数k,纵轴是 该k值对应的能量E。之所以横轴不用波长而用“波数”这个新物理量,是因为E可以和k有正比关系,而和波长成反比,反比例的图和正比的图相比欠直观。总 之,对于声子,我们发现,在波数k很小的时候,声子的能量E和波数k也成正比。如同光子E正比于光速c,这里声子的能量E正比于声速v;在k很小 时,v=E/(kħ)。把图中的数据点k=4nm(-1),

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  • 2楼
  • 2012-07-14 17:40
    E=17meV带入式子,经过换算后,可知声速v=5800m/s,就是我们日常熟悉的数值.



    在《能带论》一节里画了晶体Si的电子能带。能带就是电子的能量和波数的关系。与之类似,对于声子也有类似关系。声子能带的存在也佐证了声子 并不是那么虚构。实际上,图4只是整个能量-波数关系的很小的一部分。如同电子在同样的晶格动量(动量和波数相差一个常数,所以经常不加以区分)值处可以 有很多能量,声子在同样的波数值也可以有多个能量值。这是因为同样的波长也可以存在不同振动模式。图5是石墨烯(该材料获得2010年诺贝尔物理学奖)的 声子能带图。

    声子为什么可以有多个能量?由于石墨烯是一个二维结构,可拿二维的拉力器做类比。拉力器用于训练时,向沿着径向拉扯需要的能量最大。这相当于径向的扰动原 子链,原子沿着径向振动。因此,径向的声子(能带图和原子图中黑色箭头)能量最大。同理,二维的石墨烯在第三个方向,z轴没有约束,所以可以比较自由的振 动而没有很大的能量,见能带图和原子图的蓝色箭头所表示。横向振动的能量介于纵向和z方向之间。在能带图中,纵向以上还有几支能量更高的声子,叫做光学声 子,振动方式有所不同,将留在以后讨论。


    以上,声子的物理图像就比较清楚了。声子是原子集体振动的能量包,具有能量和动量(波数),就像真实的粒子一样,可以被测量,也像电子一样有能带。此外, 声子也像真实的粒子一样还可以有数目。温度是激发声子的最重要的源泉,温度越高,声子数目就越多。在绝对零度时为基态,没有激发,所以没有声子。

    与电子不同的是,声子有寿命。既然它可以被激发,那么也可以被湮灭。声子和声子也可以碰撞,就像是两个传播的原子振动互相散射。声子也可以和电子 散射。这个电子-声子的碰撞散射过程,就是电阻的微观来源——如果电子没有遇到障碍物,一直走下去,那么电阻率就为零,理想导体;而如果电子被声子到处散 射,那么就好像电子遇到了障碍,因此产生电阻。如果坚持问,电子到底是和电子还是原子核散射?答案回归到开始的量子力学图像里,我们不讨论看起来“真实” 的,只讨论有意义的可观测的物理量。答案就是,电子和真实的声子散射,产生电阻——既不是单个的原子核,也不是单个的电子。
    由于任何有限温度的凝聚态系统都有声子,所以声子作为集体激发,以一种比表简洁的图像,找到了各种凝聚态系统的第一个共性——声子激发。


    集体激发之自旋波

    有了声子是一种“扰动的传播”的图像,理解自旋波就比较容易了。声子中,扰动的是原子本身的位置。如果原子带有自旋,那么自旋方向的扰动,影响临近原子自旋的方向,就会导致自旋波的产生,如图6。


    所有电子自旋的净总和。在铁磁材料里,原子自旋不为零,而所有原子自旋的和的方向,就是磁化方向,即磁铁N极的方向。当一个原子的自旋受到扰动时,其大小 不会变(回忆自旋是内秉属性),但是方向会改变。由于相邻原子间自旋-自旋的相互作用,临近原子的自旋也有受到扰动。这样,自旋导致的扰动也会传播出去, 好像波一样,就叫自旋波。如同声子一样,自旋波的能量也是量子化的,叫做磁振子。由于铁磁材料有净磁化,自旋会绕着磁化的轴做进动,好像陀螺自转轴绕着一

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    • 3楼
    • 2012-07-14 17:40
      个主轴进动,或者地轴缓慢的进动一样。


      等离子体振子(Plasmon)

      足够高的温度或者电场下,原子和分子可以被电离,形成等离子体。金属中的自由电子处于原子核正电的环境,就可以用等离子体的模型来描述。
      假设外加的周期电场E下,电子做频率为ω的简谐振动,列出牛顿第二定律的方程,

      比如,在透射电子显微镜(TEM)中,入射电子和出射电子的能量差,就在能谱上显示出材料的等离子体振子的激发。这个激发可以从电子能量损失谱EELS中看出。


      电子自己作为准粒子

      在晶体中的电子,由于和周围的原子核与其他电子时刻的相互作用,并不是真正的自由电子,这在半导体中尤其明显。在电子-电子相互作用忽略 的独立粒子近似下(能带就是这样得到的),由于电子处于带正电的环境,库仑吸引会把电子加速。因为加速即速度的改变,而速度改变的容易程度由惯性来衡量, 所以这个加速就相当与电子质量的减小。在半导体中,电子被加速而导致惯性减小的现象,可以用电子的有效质量来描述。只要用有效质量代替电子的真正质量,就 可以近似的描述电子在半导体里运动的情况。此时,具有有效质量的电子,就是一种准粒子。它不但表示电子这个粒子,还表示了电子和环境拖来拽去的相互作用。

      Majorana费米子

      在20世纪的30年代,有一个天才意大利物理学家Majorana,他的手稿对于原子分子物理,核物理,凝聚态物理,统计物理等多个分支都有重要贡献。在 31岁那年(1938),他离奇的从人间蒸发,原因至今还有人猜测,有人甚至说他由于天才所以被外星人请去做科学了。无论如何,他留下了一个最重要的贡 献,就是马约热纳费米子。
      我们知道电子是费米子,它的反粒子是正电子。试想,如果电子不带电,那么会怎么样?此时,不带电的电子和它的反粒子就是同一种粒子。对比与电子是狄拉克费米子,这个电中性的粒子就叫做Majorana费米子。
      在自然界中,唯一可能是Majorana费米子的基本粒子,就是中微子。直到今天,中微子是否是Majorana费米子仍没有定论。然而,准粒子可以作为 Majorana费米子,存在于一些凝聚态的材料。比如在拓扑绝缘体和超导体的界面,就很可能容许Majorana费米子的存在。超导体具有电荷-空穴对 称性。产生一个能量为+E的负电荷,就意味着同时产生一个能量为-E的正电荷空穴。如果产生的粒子能量为零,那么产生它和湮灭它没有区别,就形成了 Majorana费米子。Majorana费米子服从非交换的统计,因此这种纠缠性有很大的应用前景用于量子计算。


      结语

      还有很多种准粒子和集体激发,比如极化子,旋子,库柏对,磁单极子等等。这里仅给出了几个常见的例子。一个有限温度的凝聚态系统,也许空间结构和原子组成 非常复杂,但是在准粒子和集体激发的图像下,就变得简单起来:它无非就是0K的基态的加上这些元激发组合而成的激发态而已。一万亿个水分子固然复杂,但是 许许多多的水滴,却可以形成海浪,优美而简单。微观的原子分子,和它们共同形成的元激发,就如同水滴和海浪一样。此时,我们就不必关注系统的细枝末节,而 是找到了不同系统的共性。这些元激发不仅仅优美简单,而是系统本质的属性。也因此,元激发的物理图像,构成了凝聚态物理的一块基石。

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      • 4楼
      • 2012-07-14 17:40
        顶。

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        • 5楼
        • 2012-07-14 18:47
          直接说请大家看一看固体物理不就得了

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          • 6楼
          • 2012-07-14 20:21

            四六级算个屁!有猛料:竟有大师提分预测,还有真题解析!轻轻松松! 立即查看

            长知识了,多谢楼主

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            • 7楼
            • 2012-07-14 21:39
              ………………就看看不说话

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              • 8楼
              • 2012-07-14 21:46
                先马克,再慢慢看

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                • 9楼
                • 2012-07-15 03:26
                  我就顶顶。。。一遍看下来逻辑跟不上,lz是在介绍概念么?
                  声子算什么,为什么可以算是光子?为什么会湮灭?(高一渣)

                  收起回复
                  • 10楼
                  • 2012-07-15 10:48

                    就问一句:中微子到底是不是费米子?

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                    • 11楼
                    • 2012-08-02 12:57

                      我竟然看完了,貌似还看懂了?
                      对了,四楼第六行,那个极化率P的那个公式可不可以解释下,主要是这个公式第一个=后面那个(打不来)


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                      • 12楼
                      • 2012-08-17 19:10
                        • mingda1986: 回复 淫的子弹 : 式子里,以这个为准。n就是电子密度,e就是元电荷,x是电荷相对平衡位置的偏移。这个式子是很经典的模型,很老但是很经典的固体物理教材应该都会有。度没有?那就说明度娘在这个知识点上是扯淡的。
                          2014-8-26 10:25回复
                        • 淫的子弹: 回复 mingda1986 :谢
                          2014-8-27 09:07回复
                        • 我来说一句

                        +!(高三巨渣)

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                        • 13楼
                        • 2012-08-19 20:05
                          亲爱的楼主可以转载到化学吧么?

                          收起回复
                          • 15楼
                          • 2012-08-19 22:51

                            呜呜~能让高中生理解的凝聚态什么的最有爱了~
                            不过我还是各种看不懂。。。。

                            收起回复
                            • 16楼
                            • 2012-08-20 02:08
                              • mingda1986同学,写完作业做完模拟题无聊的时候,看到文章。如果你觉得哪里不太明白,能给我点反馈意见就好了。读的慢一点,精一点,至少开头Be原子的基态,激发态定义能懂,然后可能读个3遍,看看哪里卡住了。有问题可以直接给我在这里留言,我会尽力说清楚。怎么样?
                                2012-8-19 21:52回复
                              • qazxsw11000回复 mingda1986 :基态,激发态定义能懂的。。。主要是后面的一些东西。。。不过我再看几遍吧……谢谢啦~
                                2012-8-21 10:27回复
                              • mingda1986回复 qazxsw11000 :同学,别太急,这个涵盖了通常大四学的固体物理2,甚至一些研究生课程内容才讲的内容,但是到那时学的话,经常全是式子。这里给的是图像。这是希望减少畏难心理。在看懂原子的激发态之后,接下来就是固体的激发态,=基态+准粒子/集体激发模式。然后,作为一个集体激发的例子,讲声子
                                2012-8-21 10:50回复
                              • mingda1986回复 qazxsw11000 :所以声子是一定要搞明白的。它非常非常重要,可惜大学前半段,从大学物理到四大力学都没有专门涉及,经常让人觉得是从天上掉下来的,或者虚构的东西。这一段声子就希望弥补其不足。这之后,声子重点讲述之后,又列举了其他几种低能激发态,仅此而已。

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