凝聚態(tài)物理前沿

凝聚態(tài)物理前沿凝聚態(tài)物理前沿凝聚態(tài)物理前沿xxx公司凝聚態(tài)物理前沿文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度凝聚態(tài)物理前沿聚態(tài)物理學(xué)是一門以物質(zhì)的宏觀物理性質(zhì)作為主要研究對(duì)象的學(xué)科。所謂“凝聚態(tài)”指的是由大量粒子組成，并且粒子間有很強(qiáng)的相互作用的系統(tǒng)。自然界中存在著各種各樣的凝聚態(tài)物質(zhì)，它們深刻地影響著人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。在最常見的三種物質(zhì)形態(tài)——?dú)鈶B(tài)、固態(tài)和液態(tài)中，后兩者就屬于凝聚態(tài)。低溫下的超流態(tài)、超導(dǎo)態(tài)、超固態(tài)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、磁介質(zhì)中的鐵磁性、反鐵磁性等，也都是凝聚態(tài)。凝聚態(tài)物理學(xué)是當(dāng)今物理學(xué)最大也是最重要的分支學(xué)科之一。研究由大量微觀粒子(原子、分子、離子、電子)組成的凝聚態(tài)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、粒子間的相互作用、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其物質(zhì)性質(zhì)與應(yīng)用的科學(xué)。它是以固體物理學(xué)為主干，進(jìn)一步拓寬研究對(duì)象，深化研究層次形成的學(xué)科。其研究對(duì)象除了晶體、非晶體與準(zhǔn)晶體等固體物質(zhì)外，還包括稠密氣體、液體以及介于液體與固體之間的各種凝聚態(tài)物質(zhì)，內(nèi)容十分廣泛。其研究層次，從宏觀、介觀到微觀，進(jìn)一步從微觀層次統(tǒng)一認(rèn)識(shí)各種凝聚態(tài)物理現(xiàn)象；物質(zhì)維數(shù)，從三維到低維和分?jǐn)?shù)維；結(jié)構(gòu)從周期到非周期和準(zhǔn)周期，完整到不完整和近完整；外界環(huán)境從常規(guī)條件到極端條件和多種極端條件交叉作用，等等，形成了比固體物理學(xué)更深刻更普遍的理論體系。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，凝聚態(tài)物理學(xué)已成為物理學(xué)中最重要、最豐富和最活躍的分支學(xué)科，在諸如半導(dǎo)體、磁學(xué)、超導(dǎo)體等許多學(xué)科領(lǐng)域中的重大成就已在當(dāng)代高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中起關(guān)鍵性作用，為發(fā)展新材料、新器件和新工藝提供了科學(xué)基礎(chǔ)。前沿研究熱點(diǎn)層出不窮，新興交叉分支學(xué)科不斷出現(xiàn)，是凝聚態(tài)物理學(xué)科的一個(gè)重要特點(diǎn)；與生產(chǎn)實(shí)踐密切聯(lián)系是它的另一重要特點(diǎn)，許多研究課題經(jīng)常同時(shí)兼有基礎(chǔ)研究和開發(fā)應(yīng)用研究的性質(zhì)，研究成果可望迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。這學(xué)期有幸選上了凝聚態(tài)物理前沿這門課程，聆聽了多位教授的研究方向報(bào)告，受益匪淺，對(duì)凝聚態(tài)物理的知識(shí)體系以及研究方向有了更深刻的了解。為此，我在期末總結(jié)了幾位老師的報(bào)告內(nèi)容，作為課程報(bào)告。有幾位老師的研究方向是聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)，以及人工周期結(jié)構(gòu)中的Dirac錐和谷相關(guān)特性。幾個(gè)報(bào)告內(nèi)容內(nèi)容屬于一個(gè)聲學(xué)大方向，所以可以在一起總結(jié)。光和聲是人類生活最密切相關(guān)的兩種波，人類通過它們來感知世界并實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)交流。認(rèn)識(shí)并利用光和聲，拓展人類認(rèn)知自然的能力，生活品質(zhì)，貫穿了整個(gè)人類的發(fā)展史。1987年，以光子晶體的概念提出為目標(biāo)，人們首次提出了用人工結(jié)構(gòu)來調(diào)制光波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光更有效操作的思想。同樣的想法很快被拓展應(yīng)用于聲波，聲子晶體的概念也與1993年被提出，作為人工結(jié)構(gòu)，光子晶體和聲子晶體主要以布拉格散射機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)波的調(diào)制，因而它們的結(jié)構(gòu)尺度都與工作波長(zhǎng)相當(dāng)。光子晶體或聲子晶體屬于波長(zhǎng)尺度范疇，而作為另一大類人工機(jī)構(gòu)的超構(gòu)材料則屬于“亞波長(zhǎng)”尺度范疇，即超構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)尺度遠(yuǎn)小于其工作波長(zhǎng)，因?yàn)檫@一特點(diǎn)，使在超構(gòu)材料中傳播的波不能分辨其結(jié)構(gòu)，所以超構(gòu)材料可視為是均勻的有效介質(zhì)，可用有效參數(shù)描述。用“亞波長(zhǎng)”結(jié)構(gòu)來調(diào)控波的思想主要形成于2000年左右。早期的超構(gòu)材料，無論是光學(xué)的，還是聲學(xué)的，大多是含共振單元的人工結(jié)構(gòu)，所以材料參數(shù)可為負(fù)數(shù)。隨著研究的進(jìn)展，不含共振單元的超構(gòu)材料也值得關(guān)注。這類材料研究的主要目標(biāo)是利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來獲取合適的材料參數(shù)，具有寬帶、低耗散等優(yōu)點(diǎn)，更適合在隱身等問題中應(yīng)用。值得指出的是，目前人們對(duì)于超構(gòu)材料這一術(shù)語含義的理解，并不完全同意。除了上述含義，它有時(shí)還有更寬的含義，這包括如金屬表面等離激元微納結(jié)構(gòu)，有時(shí)甚至還包括光子晶體和聲子晶體，但結(jié)構(gòu)尺度是亞波長(zhǎng)，也可用有效材料描述，這也是目前大多數(shù)人接受的超構(gòu)材料的定義。質(zhì)量密度是材料的重要聲學(xué)參數(shù)，利用結(jié)構(gòu)單元的諧振子模型，可解析地得到這種材料的有效質(zhì)量密度公式、其結(jié)果顯示與圖。可以看到，在400HZ和1400HZ兩個(gè)頻率附近，這種材料的有效質(zhì)量密度公式。其結(jié)果顯示了?？梢钥吹剑鲜鼍钟蚬舱窠Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)有效質(zhì)量密度的物理圖像：當(dāng)入射波頻率增加到結(jié)構(gòu)單元的共振頻率時(shí)，發(fā)生諧振子偶極共振，剛越過共振頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)單元中鉛球的運(yùn)動(dòng)變得與基體的運(yùn)動(dòng)相反，即鉛球的加速度方向變得與基體的運(yùn)動(dòng)反向，即鉛球的加速度方向變得與結(jié)構(gòu)單元的受力方向相反，而鉛球的加速度方向變得與結(jié)構(gòu)單元的受力方向相反，而鉛球的質(zhì)量是結(jié)構(gòu)單元質(zhì)量的主體，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元整體上表現(xiàn)出負(fù)質(zhì)量響應(yīng)，我們看到，這里負(fù)質(zhì)量響應(yīng)是共振結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)行為的一種表現(xiàn)，在靜態(tài)情況下質(zhì)量是不能為負(fù)的。前面利用“彈簧與質(zhì)量”偶極共振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了負(fù)有效質(zhì)量密度。可以設(shè)計(jì)具有單擊共振的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)負(fù)有效體模量?？紤]到氣泡在水中具有強(qiáng)烈的單擊共振。如果把偶極共振和單擊共振兩種結(jié)構(gòu)單元并入到同一結(jié)構(gòu)中，即可實(shí)現(xiàn)有效質(zhì)量密度和有效質(zhì)量密度和有效體模量同時(shí)為負(fù)的超構(gòu)材料。為使兩種共振的頻率一致，先對(duì)產(chǎn)生負(fù)有效質(zhì)量密度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)為橡膠包裹的金球在環(huán)氧樹脂基體中排列成面心立方。利用雙負(fù)聲學(xué)超構(gòu)材料的負(fù)折射效應(yīng)，可以把聲學(xué)超構(gòu)材料制成平板透鏡，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)成像。自然材料的聲學(xué)參數(shù)都是正的，如果用全部獨(dú)立聲學(xué)參數(shù)為坐標(biāo)建立一個(gè)多維空間，自然材料只能位于這個(gè)空間的第一象限。人工設(shè)計(jì)使聲學(xué)超構(gòu)材料的有效聲學(xué)參數(shù)可以是單負(fù)、雙負(fù)直至全負(fù)的，因而材料參數(shù)可以是單負(fù)、雙負(fù)直至全負(fù)的，因而材料參數(shù)可覆蓋參數(shù)空間的全部象限，不僅如此，自然材料由于性質(zhì)相對(duì)固定，在參數(shù)空間一般表現(xiàn)為離散的分布，而可設(shè)計(jì)性使聲學(xué)超構(gòu)材料的聲學(xué)參數(shù)在參數(shù)空間可相對(duì)平滑地改變，所以，聲學(xué)超構(gòu)材料大大突破了自然材料的局限，可對(duì)聲波提供前所未有的局限，可對(duì)聲波提供更加靈活自如的操縱，像電磁或光學(xué)超構(gòu)材料一樣，完美“隱身”和“成像”可能是聲學(xué)超構(gòu)材料最具有價(jià)值的應(yīng)用展望。除此之外，聲學(xué)超構(gòu)中聲波新奇的傳播方式，有可能提供全新的聲學(xué)器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。報(bào)告內(nèi)容還有人工周期結(jié)構(gòu)中的Dirac錐和谷相關(guān)特性。老師指出石墨烯屬于二維六角晶格旋轉(zhuǎn)散射單體導(dǎo)致一系列晶體對(duì)稱性。老師還介紹了晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一系列現(xiàn)象：（1）K點(diǎn)是C3v對(duì)稱性時(shí)，一直有Dirac錐；（2）K點(diǎn)是C3對(duì)稱性時(shí)，六角形情形有Dirac錐，而三角形情形沒有。并作出現(xiàn)象解釋：分析二重簡(jiǎn)并的存在性，并證明簡(jiǎn)并點(diǎn)附近有線性色散。二重簡(jiǎn)并包括偶發(fā)性簡(jiǎn)并和確定性簡(jiǎn)并。其中確定性簡(jiǎn)并是在給定對(duì)稱性的情況下，簡(jiǎn)并的存在是否敏感于其他參數(shù)，如填充率。然后可以進(jìn)行對(duì)稱性分析。當(dāng)K點(diǎn)為C3v點(diǎn)群對(duì)稱時(shí)，2D不可約表示這為特殊轉(zhuǎn)角下的體系提供了確定性的二重簡(jiǎn)并。當(dāng)K點(diǎn)為C3點(diǎn)群對(duì)稱時(shí)，三個(gè)1D表示（其中兩個(gè)為復(fù)表示）似乎與任意轉(zhuǎn)角的六角體系一直存在的二重簡(jiǎn)并相矛盾。老師還介紹了Berry相位。狄拉克錐態(tài)在倒空間中狄拉克點(diǎn)附近絕熱演化一圈后的Berry位相：把倒空間的積分路徑選取為狄拉克點(diǎn)附近任意小的圓形圍道。對(duì)于具有C3v的K點(diǎn)，上下帶所對(duì)應(yīng)的本征矢量。所以我們可以得到前述問題的答案：（1）Dirac錐除了存在于具有C3v對(duì)稱性的K點(diǎn)，還存在于布里淵區(qū)上其它的點(diǎn)；（2）Γ點(diǎn)不可能存在Dirac錐；（3）以上結(jié)論對(duì)于標(biāo)量波和矢量波體系都適用（在文章里以彈性波系統(tǒng)為例進(jìn)行了論證）；（4）這里提到的所有的Dirac錐都具有π的Berry位相；隨后老師還依次介紹了聲子晶體中的谷渦旋態(tài)、鏡面對(duì)稱破缺、谷態(tài)的激發(fā)、類似Hall效應(yīng)的谷分束現(xiàn)象、力矩效應(yīng)?；谏鲜鲋R(shí)，可以得到一系列結(jié)論：（1）聲子晶體中的谷態(tài)，聲谷態(tài)的渦旋特征；（2）不同谷極化態(tài)的選擇性激發(fā)，聲谷態(tài)的激發(fā)選擇定則；（3）聲谷態(tài)的分束現(xiàn)象；（4）谷渦旋聲場(chǎng)具有束縛并旋轉(zhuǎn)微小顆粒的能力；最后介紹的是聲子晶體中的拓?fù)涔容斶\(yùn)?；谇叭说睦碚摚?jīng)過層層優(yōu)化，建立了連續(xù)性模型。簡(jiǎn)并子空間：微擾哈密頓量利用對(duì)稱性分析對(duì)其化簡(jiǎn)：基于上述理論最終得出以下結(jié)論：（1）打破鏡面對(duì)稱實(shí)現(xiàn)不同的聲絕緣相（2）不同絕緣相的聲子晶體之間存在谷邊緣態(tài)（3）谷邊緣態(tài)可由外來入射激發(fā)（4）谷邊緣態(tài)具有低反射輸運(yùn)特性（5）系統(tǒng)地研究了二維人工周期結(jié)構(gòu)中Dirac錐的存在性（6）考察了聲子晶體的谷渦旋態(tài)及其激發(fā)和力矩效應(yīng)（7）在不同絕緣相的晶體界面上觀察到了聲(光)谷邊緣態(tài)后摩爾時(shí)代的信息器件技術(shù)主要闡述了計(jì)算機(jī)集成芯片的發(fā)展?，F(xiàn)代集成芯片中大于88%的器件是由FET構(gòu)成的。CMOS:是微電子主流技術(shù)。經(jīng)典場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理：1：塊材，體效應(yīng)；2：擴(kuò)散；3：量子效應(yīng)，能帶。實(shí)際上:IC上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。硅基技術(shù)發(fā)展的最終目的：?jiǎn)挝怀杀鞠峦瓿傻挠?jì)算任務(wù)增加。單個(gè)晶體管的成本縮減到原來的1億分之一。經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展，產(chǎn)生以下幾個(gè)問題：?jiǎn)栴}：（1）尺度縮減到納米尺度，發(fā)展模式需要變化；（2）加工設(shè)備太貴，特別是門檻過高；（3）功耗過大導(dǎo)致過熱，限制集成度。2008年路線圖委員會(huì)認(rèn)識(shí)到急需加速發(fā)展一兩種最有前途的新型信息處理器件，因此要求新興研究器件（ERD）和新興研究材料（ERM）兩個(gè)工作小組推薦一兩種最有前途的新興研究器件技術(shù)，用以制訂詳細(xì)的路線圖，加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2008年ERD/ERM工作小組在詳細(xì)考察了所有可能的技術(shù)后向IRC推薦了唯一的選擇：碳基納米電子學(xué)。2009年，路線圖委員會(huì)（IRC）支持ERD/ERM工作小組選擇碳基納米電子學(xué)作為需要重點(diǎn)關(guān)注和投資的技術(shù)，用以加速半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。相關(guān)技術(shù)已被中電集團(tuán)55所用于3英寸高速晶體管的研制并獲得了較好效果。論文發(fā)表在IEEEEDL36,1284,(2015)，并被作為當(dāng)季度的Popular論文之一。物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然科學(xué)。諸如力、聲、熱、光、電、磁等現(xiàn)象，以及物質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)、它們的各種存在狀態(tài)，小到原子及比它還小的基本粒子，大到天體宇宙都是它的研究對(duì)象。通常物理學(xué)分為力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、無線電電子學(xué)、分子物理、原子物理、原子核物理、基本粒子、宇宙學(xué)等分支學(xué)科。物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，它是發(fā)展最成熟、高度量化的精密科學(xué)，又是具有方法論性質(zhì)、被公認(rèn)為是最重要的基礎(chǔ)科學(xué)。盡管有些理論在應(yīng)用中目前還沒有派上用場(chǎng)，但我們相信在將來的某一天必定會(huì)為人類做出貢獻(xiàn)。正如法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律時(shí)有人問他你這個(gè)定律有什么用時(shí)，他回答的那樣：一個(gè)初生的嬰兒，你能預(yù)料他將來會(huì)做出多么偉大的事業(yè)嗎?

可以說物理學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)了各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。使人類的生產(chǎn)和生活發(fā)生了翻天覆地的變化。物理學(xué)的發(fā)展引發(fā)了一次又一次的產(chǎn)業(yè)革命，推動(dòng)著社會(huì)和人類文明的發(fā)展?？梢哉f社會(huì)的每一次大的進(jìn)步都與物理學(xué)的發(fā)展緊密相連。

現(xiàn)在，人類對(duì)物理現(xiàn)象的探索，已經(jīng)在一條更為廣闊更為深入的陣線上展開，原子核物理和基本粒子物理學(xué)，凝聚態(tài)物理學(xué)、統(tǒng)一場(chǎng)論，都是現(xiàn)代物理學(xué)中最活躍的分支。宇宙的起源