中子散射与关联物理

Neutron Scattering and Strongly Correlated Physics中子散射与强关联物理鲍威中国人民大学 物理系大纲 什么是强关联物理 中子散射简介 晶体结构 磁长程序结构 有序-无序相变（二级相变），序参数 元激发：声子，磁子 非色散型磁激发谱 非常规超导体研究中的应用强关联物理凝聚态物理的前沿分枝 凝聚态物理的研究对象：固体，液体 大量粒子集合的量子物理 物理学最大的研究领域，1/3 高科技社会的基础：电脑CPU（半导体），手机天线（铁电体），冰箱门（磁铁），等 远非夕阳学科，不少未知领域 强关联物理：最具智力挑战的前沿领域之一凝聚态物理: 非相对论性量子统计物理经典力学-多体引力问题: 无精确解地球上的经典力学: 惯性参照系 大部分情况, 不用考虑天体运动的影响 地球自转: 气候-大气环流, 洋流 月球运动: 潮汐 慧星落地: 物种灭绝地球运行的经典力学 二体引力问题存在封闭解 地球在太阳的引力场中的运动 月球在地球的引力场中的运动 月球运动对地球轨道的微扰 各行星分别在太阳的引力场中的运动 各行星运动对地球轨道的微扰王孝群：重整化群方法 （7月13-14日）自由电子近似 惯性地球 费米气模型（Sommerfeld，1927）：Fermi-Dirac Statistics,vs. Maxwell-Boltzmannconduction in metal（1868-1951）独立电子近似 行星绕日运动卢仲毅：LDA计算 （7月16日下午）晶格周期性Bloch Theorem 电子能带理论 金属，绝缘体 半导体 Shockley,Bardeen,Brattain (1956) Koln，Pople (1998)Felix Bloch (1952 Nobel Prize in Physics)LaFeAsO正常态的能带，费米面闻海虎，张清明：7月15日元激发相互作用 星际微扰 声子（phonon） 核晶格振动的量子 磁子（magnon） 磁矩晶格振动的量子 电子-波色子散射：电阻，BCS超导 电子-电子散射：屏蔽效应，Landau费米液体理论，Mott金属-绝缘体相变，非常规超导 电子-杂质散射：输运，电阻， Anderson金属-绝缘体相变 电子-磁杂质散射：输运，电阻 ，Kondo效应独立电子近似 行星绕日运动Hartree Approximation独立电子近似的毛病：交换反对称Hartree-Fock ApproximationHubbard 模型 (1964)电子相互作用导致绝缘体Mott相变C. Zenerd=(1993)电子相互作用导致绝缘体Mott相变C. Zener NiO insulator, Zener 1930s Mott 1930-1970s Hubbard 1964 Brinkman & Rice 1970 Several groups 1990s- Mott绝缘体中的反铁磁序: J=t2/UP.W. Anderson 1950s对费米液体的微扰 星际微扰 电子-杂质散射：输运，电阻， Anderson金属-绝缘体相变 (1977) 电子-磁杂质散射：输运， Kondo效应(1982) 电子-波色子散射：电阻，BCS超导(1913，1972) 电子-电子散射：屏蔽效应，Landau费米液体理论，Mott金属-绝缘体相变 (1977) ，非常规超导费米液体相并非总是稳定的基态：存在其它相超越微扰论新的物质相：费米子系统 超导电性 Onnes 1911 (1913)；Bardeen-Cooper-Schrieffer理论 1957 (1972); Abrikosov, Ginzburg 1950s (2003)3He超流 Lee, Richardson & Osheroff 1971 (1996)；Leggett 1972 (2003) 量子霍尔效应 Klitzing 1980 (1985) 分数量子霍尔效应 Strmer & Tsui 1982; Laughlin 1983 (1998)费米子物态（续） Kondo效应 1964: K.G. Wilson (1982) Kondo晶格-重费米子现象，及其超导态1979 高温铜氧化物超导体 Mller & Bednorz 1986 (1987) Anderson 绝缘体，Mott 绝缘体（1977）磁及其它相变 铁磁 Pierre Curie （1903） 气-液相变 van der Waals (1910) 反铁磁，亚铁磁 Nel （1970） 自旋玻璃相变 1970s 液晶，高分子相变 de Gennes (1991)4He超流 Kapitsa 1937 (1978)；Landou理论 (1962) 冷原子气体的Bose-Einstein凝聚 Cornell & Wieman 1995 (2001)量子微观世界真得存在吗？ 电子真按Bloch波函数构成能带吗？ 真有声子，磁子吗？ 反铁磁序真能存在吗？（Landau的疑问） 晶体里的原子真是规则排列的吗？ 眼见为实：现代科学400年晶体结构：x-rayLaue (1914 Nobel Physics)Bragg (1915 Nobel Physics)19121914中子能衍射吗？ 波-粒二相性 1927 电子衍射 G.P. Thomson (UK)Davisson-Germer (US)(1937 Nobel Physics)中子衍射有什么优势？ X-ray衍射强度Z2 中子衍射强度无规轻原子在晶格中的位子高温铜氧化物超导体中氧的位置中子衍射有什么优势？同一元素的不同 同位素，散射强度不同Ferrimagnetic order of 磁石Louis Nel (1970 Nobel Physics)Shull，1994 Nobel Prize in PhysicsNel 只预见到collinear磁序 中子衍射发现众多更复杂的noncollinear磁序Magnetic structures: 11 vs 1111 or 122量子微观世界真得存在吗？ 电子真按Bloch波函数构成能带吗？ 真有声子，磁子吗？ 反铁磁序真能存在吗？（Landau的疑问） 晶体里的原子真是规则排列的吗？非弹性中子散射之父Brockhouse1994 Nobel Physics Prize三轴谱仪晶体中的元激发谱声子Ge: phonon晶体中的元激发谱磁子大纲 什么是强关联物理 中子散射简介 晶体结构 磁长程序结构 有序-无序相变（二级相变），序参数 元激发：声子，磁子 非色散型磁激发谱 非常规超导体研究中的应用磁相变的序参数：序参数 液-气临界点：n 磁相变：M 超导，超流： (x) (ns=|2) 自旋玻璃: 维张量 Mott绝缘体：？序参数磁激发谱 局域(localized)磁系统: magnon (spin-wave)磁激发谱 巡游itinerant系统：continuum 连续谱磁激发谱 量子S=1/2链系统：RVB基态continuum 连续谱李涛：7月14日下午费米子物态（续） Kondo效应 1964: K.G. Wilson (1982) Kondo晶格-重费米子现象，及其超导态1979 高温铜氧化物超导体 Mller & Bednorz 1986 (1987) Anderson 绝缘体，Mott 绝缘体（1977）高温铜氧化物超导体 （二维）Mott 相变 ？ 二维量子磁学：RVB？Magnetic resonant excitations and superconducting symmetryTunneling junction less decisiveFirst nodeless-gap claimARPES: |(q)|ARPES: |(q)|arXiv:0804.1793arXiv:0807.3932arXiv:0811.4755High-quality single crystals from Mao et al.T. Liu et al., arXiv:0904.0824arXiv:0905.3559Summary of excitations 2-dimensional resonance at 6.5meV and Q=(0), not Q= (,) Finite width: 1.25 meV, 6 Fe-Fe sp. Higher E part also sharp in Q /2kBT = 5.3 cuprates /2kBT = 4.3-4.5 Ba-122 /2kBT =2-4 heavy fermion SCMagnetic neutron scattering in a nutshell Dynamic magnetic structure factor S(q,w) = dr dt ei(q.r-wt) Imaginary generalized magnetic susceptibility c”(q,w) = p (1-e-hw/kBT) S(q,w) local dynamic magnetic structure factor S(w) = dq S(q,w) = dt e-iwt dc magnetometer c(T) = c(0,0) = dw c”(0,w)/w + const. NMR/NQR spin-lattice relaxation rate T1-1 = S |A(q)|2 S(q,w0)_q