Transcript 中子散射与强关联物理 - 物理系

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
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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
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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
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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-Boltzmann
conduction in metal
（1868-1951）
独立电子近似
卢仲毅：LDA计算 （7月16日下午）
行星绕日运动
晶格周期性—Bloch Theorem
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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
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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
Hartree Approximation
行星绕日运动
独立电子近似的毛病：交换反对称
Hartree-Fock Approximation
Hubbard 模型 (1964)
电子相互作用导致绝缘体—Mott相变
d=∞
(1993)
C. Zener
电子相互作用导致绝缘体—Mott相变
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NiO insulator, Zener 1930s
Mott 1930-1970s
Hubbard 1964
Brinkman & Rice 1970
Several groups 1990s-
C. Zener
Mott绝缘体中的反铁磁序: J=t2/U
P.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)；BardeenCooper-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 Störmer & 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 Müller & Bednorz 1986
(1987)
 Anderson 绝缘体，Mott 绝缘体（1977）
磁及其它相变
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铁磁 Pierre Curie （1903）
气-液相变 van der Waals (1910)
反铁磁，亚铁磁 Néel （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？

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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-ray
1912
Laue (1914 Nobel Physics)
1914
Bragg (1915 Nobel Physics)
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 Néel (1970 Nobel Physics)
Shull，1994 Nobel Prize in Physics
Néel 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？

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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—Brockhouse
1994 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
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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：<M(T)>
序参数
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液-气临界点：n
磁相变：M
超导，超流： ψ(x) (ns=|ψ|2)
序参数
自旋玻璃: ∞维张量
Mott绝缘体：？
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 Müller & 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 symmetry
Tunneling junction less decisive
First nodeless-gap claim
ARPES: |Δ(q)|
ARPES: |Δ(q)|
arXiv:0804.1793
arXiv:0807.3932
arXiv:0811.4755
High-quality single
crystals from Mao et al.
T. Liu et al., arXiv:0904.0824
arXiv:0905.3559
Summary of excitations
 2-dimensional resonance at 6.5meV
and Q=(π0), not Q= (δπ,δπ)
 Finite width: 1.25 meV, ~6 Fe-Fe sp.
 Higher E part also sharp in Q
 Δ/2kBT = 5.3 ~ cuprates
 Δ/2kBT = 4.3-4.5 Ba-122
 Δ/2kBT =2-4 heavy fermion SC
Magnetic neutron scattering in a nutshell
 Dynamic magnetic structure factor
S(q,w) = dr dt ei(q.r-wt) <S(r,t)S(0,0)>
 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 <S(r,t)S(r,0)>
 dc magnetometer
c(T) = c’(0,0) =  dw c”(0,w)/w + const.
 NMR/NQR spin-lattice relaxation rate
T1-1 =qS |A(q)|2 S(q,w~0)