物理学导论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

大学物理导论大学物理导论 凝聚态物理前沿凝聚态物理前沿周剑平周剑平陕西师范大学陕西师范大学 物理学与信息技术学院物理学与信息技术学院.10.19第第1页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU什么是物理学什么是物理学?物理学是探讨物质结构和运动基本规律学科。物理学是探讨物质结构和运动基本规律学科。没有物理学，便不会有当今科学技术！没有物理学，便不会有当今科学技术！只有经过精心组织只有经过精心组织,才能汇聚起如此浩瀚庞大又扎实有据真理才能汇聚起如此浩瀚庞大又扎实有据真理,也和表述才能一样也和表述才能一样,将杂乱无章整理得井然有序才能是一个富有创将杂乱无章整理得井然有序才能是一个富有创造性才能造性才能,可能简直就是同一才能不一样侧面。从原先无数孤立现可能简直就是同一才能不一样侧面。从原先无数孤立现象真理之中涌现了存在于它们之间关系真理象真理之中涌现了存在于它们之间关系真理:用这种方式一个世界用这种方式一个世界就创造出来了。就创造出来了。Hugo von Hoffmannstahl参考书目参考书目冯端金国钧冯端金国钧 凝聚态物理学（上卷）高等教育出版社凝聚态物理学（上卷）高等教育出版社 张礼张礼 近代物理学进展（第近代物理学进展（第2版）清华大学出版社版）清华大学出版社 第第2页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU什么是物理学什么是物理学?处于这日益专业化时代之中处于这日益专业化时代之中,得以认识到基本物理概念可能应得以认识到基本物理概念可能应用于一大批看起来五花八门问题用于一大批看起来五花八门问题,是令人欣慰。在了解某一领域所是令人欣慰。在了解某一领域所取得进展经常能够应用于其它领域取得进展经常能够应用于其它领域,这不但对材料科学众多领域是这不但对材料科学众多领域是确实确实,对广义而言物质结构亦复如此。作为阐述例证对广义而言物质结构亦复如此。作为阐述例证,为了解磁性、为了解磁性、超流动性与超导电性所发展概念也被推广和应用于多样领域超流动性与超导电性所发展概念也被推广和应用于多样领域,如核如核物质物质,弱与电磁相互作用弱与电磁相互作用,高能物理学中夸克结构与众多液晶相。高能物理学中夸克结构与众多液晶相。John Bardeen第第3页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU物质结构不一样层次物质结构不一样层次从原子物理学到原子从原子物理学到原子核物理学核物理学,最终进入粒最终进入粒子物理学子物理学,处处可见还处处可见还原论踪迹。原论踪迹。气体、液体与固体都气体、液体与固体都被分解为分子或原子被分解为分子或原子聚集体聚集体;原子又被分解原子又被分解为原子核与电子为原子核与电子;原子原子核被分解为质子和中核被分解为质子和中子子;这些再被分解为夸这些再被分解为夸克、胶子。在每个还克、胶子。在每个还原阶段中展现为准稳原阶段中展现为准稳态粒子态粒子,曾被误认为曾被误认为基本基本粒子。在每粒子。在每一还原阶段一还原阶段,长度尺寸长度尺寸急剧缩短而能量尺度急剧缩短而能量尺度急剧上升。急剧上升。第第4页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU物质结构不一样层次物质结构不一样层次理论方法：理论方法：量子物理、统计物理量子物理、统计物理与经典物理与经典物理凝聚现象凝聚现象：有序化，对称性降低有序化，对称性降低白纸白纸称为无极，画上一个称为无极，画上一个圆圈圆圈，称为无极生太极（宇宙），中，称为无极生太极（宇宙），中间一条曲线分成黑白两个部分，称为太极生两仪，间一条曲线分成黑白两个部分，称为太极生两仪，第第5页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU物质结构不一样层次物质结构不一样层次宇宙学、粒子物理奇妙衔接宇宙学、粒子物理奇妙衔接http:/ of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU物质世界时间尺度物质世界时间尺度宇宙年纪：宇宙年纪：130 200亿年亿年 1018 s 星系形成：星系形成：50亿年亿年地球年纪：地球年纪：4.6109 年年=1017 s大气形成：大气形成：8108 年年=1016 s生命诞生：约生命诞生：约40亿年亿年脊椎动物：脊椎动物：约约6亿年亿年人类出现人类出现：约约500万年万年地球公转地球公转 3107 s地球自转地球自转 2.6106 s百米跑百米跑 10 s市电周期市电周期 10-2 s中子寿命中子寿命 10-3 s介子寿命介子寿命 10-8 10-17 s中间玻色子寿命中间玻色子寿命 10-24 s第第7页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU物质世界质量层次物质世界质量层次1050 s 10-30,共计跨越了共计跨越了80个数量级个数量级 科学基本原理之一：万物都是由难以观察到微科学基本原理之一：万物都是由难以观察到微小粒子组成。小粒子组成。第第8页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU自然界基本相互作用自然界基本相互作用种类种类引力引力弱力弱力电磁力电磁力强力强力作用对象作用对象全部粒子全部粒子大多数粒子大多数粒子带电粒子带电粒子强子强子作用距离作用距离(cm)10-1010-13相对强度相对强度(10-13 cm)传递作用传递作用基本粒子基本粒子引力子？引力子？中间玻色子中间玻色子光子光子()胶子胶子(g)110-3810-13 103介介电电材材料料总总伴伴伴伴随随铁铁电电和和弛弛豫豫行行为为，从从而而使使r敏敏感感于于温温度度改改变变，造造成成器器件件稳稳定定性性降降低低。图图.弛豫性铁电体介电温谱弛豫性铁电体介电温谱，类钙钛矿结构，类钙钛矿结构CaCu3Ti4O12材料材料高介电高介电、低损耗、低损耗、介电响应高热、高频介电响应高热、高频稳定性等良好性能。稳定性等良好性能。图图.CCTO试样介电频谱和温谱试样介电频谱和温谱良好综合性能，使其有良好综合性能，使其有望在望在高密度能量存放高密度能量存放、薄膜器件薄膜器件、高介电电容高介电电容器器等一系列高新技术领等一系列高新技术领域中取得广泛应用。域中取得广泛应用。方向方向2 2：巨介电：巨介电CCTOCCTO研究研究国家自然基金（国家自然基金（-）第第52页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU工作进展工作进展:A:A位位SrSr取代取代CuCu降介电损耗降介电损耗图图.CaCu3-xSrxTi4O12介电频谱介电频谱总结：总结：Sr与与Ti形成第二形成第二相增强了晶界绝缘性，相增强了晶界绝缘性，降低了漏导损耗。降低了漏导损耗。刘鹏，贺颖，李俊，朱刚刘鹏，贺颖，李俊，朱刚强，边小兵强，边小兵,物理学报物理学报 56()5489 慕春红，刘慕春红，刘 鹏，贺鹏，贺 颖，张颖，张 丹，孟丹，孟 玲，边小兵，物理学玲，边小兵，物理学报报 第四期第四期 P.Liu,C.H.Mu,Y.He,J.P.Zhou,J.Alloys.Compd.471()137Solid State Ionics206()262近期完成论文近期完成论文第第53页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU图图 铁电材料介电偏压曲线铁电材料介电偏压曲线用于集成相控阵天线铁电体材料研究用于集成相控阵天线铁电体材料研究十一五军工预研项目十一五军工预研项目E图图5-2 移相器原理示意图移相器原理示意图可调电介质可调电介质微波输入信号微波输入信号微波输出信号微波输出信号金属电极金属电极电场方向电场方向方向方向3 3：移相器：移相器P Liu,J L Ma,et al.,Mater.Chem.Phys.(published)第第54页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU方向方向3 3：反铁电体电学性能与极化弛豫机制：反铁电体电学性能与极化弛豫机制国家基金支持项目，国家基金支持项目，-图2 PLZST反铁电陶瓷在不一样偏置电场下介电温度谱（从上到下频率分别为f=0.1,1,10,100 kHz）完成论文完成论文完成论文完成论文：1.1.偏置电场诱导偏置电场诱导PLZSTPLZST反铁电极反铁电极化弛豫现象化弛豫现象 科学通报，科学通报，5353：17551755（）2.2.(Pb(Pb0.940.94LaLa0.040.04)(Zr)(Zr0.55-x0.55-xSn0.45TiSn0.45Tix x)O)O3 3反铁电陶瓷电学性能研究反铁电陶瓷电学性能研究 陕西师范大学学报陕西师范大学学报第第55页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU高温压电高温压电PbNbPbNb2 2O O6 6基材料：基材料：以上以上3 3个图分别为不一样材个图分别为不一样材料在不一样频率介电常数料在不一样频率介电常数随温度改变曲线，由图见随温度改变曲线，由图见在室温到在室温到400400介电常数随介电常数随温度改变很小，居里温度温度改变很小，居里温度都在都在500500以上，适合于高以上，适合于高温传感器材料应用温传感器材料应用第第56页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNUC C同素异形体同素异形体金刚石金刚石颜色：常见为浅黄色、浅黄颜色：常见为浅黄色、浅黄褐色、浅黄绿色、褐色，无褐色、浅黄绿色、褐色，无色色(浅黄白、白、优白浅黄白、白、优白)占有一占有一定数量，玫瑰色、粉红色、定数量，玫瑰色、粉红色、浅蓝色、绿色、黑色、茶色浅蓝色、绿色、黑色、茶色十分稀少十分稀少硬度：摩氏硬度硬度：摩氏硬度10，新摩氏，新摩氏硬度硬度15熔点：金刚石熔点达熔点：金刚石熔点达4000，在空气中燃烧温度为，在空气中燃烧温度为8501000化学稳定性：化学性质非常稳定，在酸、碱中均不分解，在熔融硝酸钠、硝化学稳定性：化学性质非常稳定，在酸、碱中均不分解，在熔融硝酸钠、硝酸钾、碳酸钠中溶解。酸钾、碳酸钠中溶解。第第57页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNUC C同素异形体同素异形体石墨石墨石墨含有很好导热和导石墨含有很好导热和导电性能，因为其层状结电性能，因为其层状结构，显示各向异性，导构，显示各向异性，导热、导电性质沿着层状热、导电性质沿着层状网络方向传输得好，但网络方向传输得好，但曾与曾之间不好，网络曾与曾之间不好，网络结构本身很稳定，但网结构本身很稳定，但网之间结协力不强。之间结协力不强。1）耐高温型：石墨熔点为耐高温型：石墨熔点为385050，沸点为，沸点为4250，石墨强度随温度提升，石墨强度随温度提升而加强，在而加强，在时，石墨强度提升一倍。时，石墨强度提升一倍。2）导电、导热性：石墨导电性比普通非金属矿高一百倍。导热性超出钢、铁、导电、导热性：石墨导电性比普通非金属矿高一百倍。导热性超出钢、铁、铅等金属材料。铅等金属材料。3）润滑性：润滑性：4）化学稳定性：石墨在常温下有良好化学稳定化学稳定性：石墨在常温下有良好化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂腐蚀。性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂腐蚀。5）可塑性：石墨韧性好，可年成很薄可塑性：石墨韧性好，可年成很薄薄片。薄片。第第58页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNUC C同素异形体同素异形体石墨烯石墨烯(诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖)石墨烯即为石墨烯即为“单层石墨单层石墨片片”一直以来一直以来,科学家们认科学家们认为为,单层石墨烯是不可稳单层石墨烯是不可稳定能存在定能存在用透明胶将石墨一层一用透明胶将石墨一层一层剥开层剥开石墨烯有特殊力学性质，石墨烯有特殊力学性质，当片状物足够大之后，结当片状物足够大之后，结构是稳定，而且强度超出构是稳定，而且强度超出单层铁强度一百倍。一张单层铁强度一百倍。一张一米见方石墨烯可承重大一米见方石墨烯可承重大约约4千克，也就是说，假千克，也就是说，假如用一米见方石墨烯做成如用一米见方石墨烯做成吊床，一直猫能够安安稳吊床，一直猫能够安安稳稳地躺在上面睡觉稳地躺在上面睡觉石墨烯有着众多奇特征质石墨烯有着众多奇特征质,单层晶体能够稳定地单层晶体能够稳定地存在存在;石墨烯片层实际上并不是平坦石墨烯片层实际上并不是平坦,而是波状而是波状;Geim报道称报道称,石墨烯中电子是没有质量石墨烯中电子是没有质量,以恒定速以恒定速率移动率移动,和光子行为极为相同和光子行为极为相同,不论石墨烯中电子不论石墨烯中电子带有多大能量带有多大能量,电子运动速率都约是光子运动速率电子运动速率都约是光子运动速率三百分之一三百分之一;半整数半整数量子霍尔效应。石墨烯电子量子霍尔效应。石墨烯电子含有自旋量子特征。含有自旋量子特征。第第59页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNUC C同素异形体同素异形体碳纳米管碳纳米管(1991年发觉年发觉)能够看成是由一片石墨烯卷成无缝管能够看成是由一片石墨烯卷成无缝管纳米碳管比重只有钢三分之一，而抗拉纳米碳管比重只有钢三分之一，而抗拉强度能够到达钢强度能够到达钢100倍以上，导电能力倍以上，导电能力是铜是铜1000倍以上，且兼具倍以上，且兼具金属金属性质与性质与半半导体导体性質，故性質，故应用范围极广应用范围极广分子导线分子导线第第60页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNUC C同素异形体同素异形体富勒烯富勒烯(1996年诺贝尔化学年诺贝尔化学奖奖)看上去是一个看上去是一个“分子足球分子足球”作作“分子滚珠分子滚珠”，制成润滑剂，制成润滑剂第第61页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU准准 晶晶晶体最基本特点是含有周期性，即含有平移对称性，早在十九世晶体最基本特点是含有周期性，即含有平移对称性，早在十九世纪，德国科学家就总结并经过数学严格证实，为了满足晶体这一纪，德国科学家就总结并经过数学严格证实，为了满足晶体这一性质，晶体中只存在性质，晶体中只存在n=1、2、3、4、6五种旋转对称轴五种旋转对称轴第第62页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU准准 晶晶1974年年R.Penrose用两种菱形单元（用两种菱形单元（72，108）和（）和（36，144），按照一定衔接规则就能够实现含有），按照一定衔接规则就能够实现含有5次旋转对称非周期铺次旋转对称非周期铺砌。以后陆续有研究者对其它旋转对称性图形实现了非周期铺砌，砌。以后陆续有研究者对其它旋转对称性图形实现了非周期铺砌，如图如图c八次对称性和图八次对称性和图d十二次对称性。十二次对称性。第第63页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU准准 晶晶基于二维基于二维Penrose拼砌，拼砌，Steinhardt实现三维空间堆砌，他发觉利实现三维空间堆砌，他发觉利用三基矢夹角分别为用三基矢夹角分别为63.43和和116.57两种菱形六面体（以下列图所两种菱形六面体（以下列图所表示），能够结构出三维表示），能够结构出三维Penrose准周期结构。准周期结构。第第64页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU准准 晶晶1982年，两位以色列科学家年，两位以色列科学家D.Shechtman和和Blech，无意中在急冷，无意中在急冷Al6Mn合金中发觉五次对称衍射图，因为两人晶体学基础普通，就合金中发觉五次对称衍射图，因为两人晶体学基础普通，就处处请教晶体学教授，教授们认为那不过是晶体学中常见五次孪晶，处处请教晶体学教授，教授们认为那不过是晶体学中常见五次孪晶，以后他们又去请教法国以后他们又去请教法国CNRS冶金化学研究所冶金化学研究所D.Gratias，因为试验，因为试验结果与传统晶体学周期性相矛盾，结果与传统晶体学周期性相矛盾，Gratias认为极难被主流接收发表。认为极难被主流接收发表。1984年秋，年秋，Gratias在加州大学一次理论物理讨论会中听了在加州大学一次理论物理讨论会中听了Steinhardt汇报，发觉他们关于二十面体理论模型衍射花样（图汇报，发觉他们关于二十面体理论模型衍射花样（图 1 5a）与）与Shechtman等人试验结果（图等人试验结果（图 1 5b）完全一致，两人会后这）完全一致，两人会后这么一碰，火花就出来了，他们决定把理论和试验结果同时寄到物理么一碰，火花就出来了，他们决定把理论和试验结果同时寄到物理学最权威学最权威 Physical Review Letters，独具慧眼编辑让两篇文章以最，独具慧眼编辑让两篇文章以最快速度先后发表，从此准晶（快速度先后发表，从此准晶（Quasicrystal）这个新名称诞生了。）这个新名称诞生了。Shechtman也因为准晶发觉，取得了也因为准晶发觉，取得了Nobel化学奖。化学奖。第第65页页CollegeCollege of Physics and Information Technology,SNNU of Physics and Information Technology,SNNU第第66页页