凝聚態物理
關注創建者：互動派 創建時間：2018-11-01
凝聚態物理的實例教程
高聚物的每個分子就好像是一根長長的線，通常情況下它們可互相雜亂無章地繞在起，被稱為“無規線團”，這樣形成的高聚物內部不存在規整的結構，是類非晶態的高聚物。許多高聚物都有這樣的結構，如聚氯乙烯、聚苯乙烯和有機玻璃等，以及幾乎所有的橡膠。
但是也有少數聚合物，當它們在塑料加工機器中被加熱熔解，然后從熔體中冷卻成型時，支鏈的分子會按照一定順序規整的排列起來，形成有序的結晶結構。
由于高分子的相對分子量很大，分子運動受到牽制，因此在通常情況下，它們不能像小分子化合物那樣形成完美的單晶結構，也不能形成100% 的結晶；所謂的結晶聚合物實際上只是一部分結晶的高分子，在這類聚合物中包含許多非晶區，我們常用結晶部分的質量分數或體積分數來表示高分子的結晶度。
還有與小分子不同的是，高聚物結晶的熔融通常發生在幾度甚至十幾度的寬范圍內，這個溫度范圍稱為“熔限”。這是因為高聚物結晶的形態和完善程度很不相同，升溫時尺寸較小、不太完善的晶體首先熔融，尺寸較大、比較完善的晶體則在較高的溫度下才能熔融。
結晶影響了聚合物的性能，主要是力學性能和光學性能。結晶度越大，塑料越脆。結晶度越大，高聚物越不透明，因為光線在晶區和非晶區界面發生光散射。
線形高分子長鏈具有顯著的幾何不對稱性，其長度一般為其寬度的幾百倍至幾萬倍。在外場作用下分子鏈將沿著外場方向排列，這過程稱為取向。高聚物的取向現象，包括分子鏈、鏈段、晶片和微纖等沿外場方向的擇優排列。
取向結構與結晶結構不同，它是一維或二維有序結構。因而能夠很好取向的聚合物不一定能結晶。很多聚合物產品如合成纖維、薄膜等都是在一定條件下經過不同形式的拉伸工藝制成的。研究取向有著重要的實際應用意義。
總的來說，取向的結果使沿取向方向的力學強度增加，
展開 作者：孟子楊（中科院物理所副研究員）
解題
北京的春天，短暫而狂躁，萬物的復蘇和生長都在讓人猝不及防的時間中完成，該發生的和不該發生的事，都在一場沙塵暴、幾場春雨和幾場霧霾的夾裹之下，生生地走進這熙熙攘攘的世相里，讓人只有接受的份兒。
生活在這樣狂躁之中的人，很難不被如此的氣氛所影響和蠱惑，做出些本來可以不做、幾年后回想會臉紅追悔的事兒來。就算是在相對平靜的自然科學研究圈子里，春天也讓人變得狂躁。目之所及，就看到有的人上下交通、攀附權貴，想在科研投入的大餅中多切下一塊來；有的人炒作概念，利用社會大眾的知識缺陷和獵奇心理，哄騙著不少不明就里的學生走上研究的不歸路；有的人酷愛折騰，不斷地舉行重復性的學術會議，以所謂聚集人氣的方式哄抬自身的學術地位。種種動作，往往偏離了科研的本意，但是在表面上制造出一派熙熙攘攘熱熱鬧鬧的混亂局面，讓人看不清底細，只有接受的份兒。接受者還好，可惜的是盲從和咸與維新者，最后追悔的，往往是這些人。
入題
在這樣混亂嘈雜的春天里，哪里能找到寂靜，哪里能找到新的生機醞釀時靜默卻不可阻擋的力量，是考驗從業人員實力、修為和氣魄的大問題。春天當然是動態的，但是動態要有一個靜的表面，新發現孕育的時候如林間的野花幼苗，陽光雨露之下靜卻決絕。一開始就熙熙攘攘熱熱鬧鬧，混淆了心智，耗盡了力氣，怎么可能看到成熟和收獲呢？
就是在這樣的考慮之下，筆者和朋友們決定在凝聚態物理學量子多體計算的領地中，在這個春天里培育一株幼苗，小心地澆灌它，期望它成長為凝聚態物理學量子多體計算領地中的大樹。這株幼苗，就是量子多體系統的動力學性質計算。
展開 非晶態合金（又稱金屬玻璃）是50多年前發現的一類新型的非晶材料，它的發現極大豐富了金屬物理的研究內容，日益成為凝聚態物理的研究前沿。非晶合金表現出很多獨特的物理、化學性質，特別是塊體非晶合金具有優異的力學性能，例如超高的強度和斷裂韌性、高強度、低彈性模量等。
塊體非晶合金被認為是迄今為止發現的最強、最硬、最軟、最韌的金屬結構材料。盡管近年來在非晶合金方面涌現出大批的研究成果，但非晶合金中的一些基本問題仍然缺乏清晰的認識，例如非晶態轉變的物理本質和非晶合金優異力學性能的物理本源等。目前的研究表明這些問題都與非晶合金中復雜的多重弛豫行為有關聯。在非晶態合金形成過程中，存在長時結構弛豫與短時次級弛豫（弛豫）并存的多重動力學行為，次級弛豫的行為表征以及微觀機制是目前非晶合金研究中的關鍵問題。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室汪衛華研究組和北京理工大學呂勇軍課題組合作，采用分子動力學方法研究了非晶CuZr合金薄膜的弛豫動力學行為。在非晶態合金的弛豫動力學研究方面取得新進展，揭示了二維非晶合金薄膜材料中次級弛豫形成的微觀機理，發現在接近非晶態轉變的過冷區域存在快慢兩種亞模式。
這種多尺度的弛豫行為一直延續到非晶態。模擬結果進一步表明，弛豫在非晶態轉變溫度附近存在著一個動力學轉變。進一步的單粒子動力學分析發現轉變前的弛豫主要是隨機的、熱激活的單粒子跳躍，轉變后的弛豫主要是高度關聯的協同跳躍，后者與應力不均勻性存在著內在聯系，從而給出了非晶合金中弛豫的清晰物理圖像。這些結果對認識非晶的本質、調控非晶材料的物理性質具有意義。
相關研究成果發表在近期的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 120, 155501 (2018)]上，該工作得到了國家自然科學基金委的資助和支持。
展開 有趣的是，在 Fig.4 (c) 中，系統也進入了 VBS 相，但是這個 VBS 自發破缺晶格對稱性，雖然有能隙，但是譜線在能量上展寬十分明顯，這其實反映了在 DQCP 的 VBS 中，還有著人們沒有完全理解的 domain wall 行為，目前的認識是，這樣的 VBS domain wall 行為與 DQCP 處物理量測量的反常有限尺度標度行為有著深層的聯系【9】。
所以，動力學性質的計算， 得到如 Fig.4 和 Fig.5 中的能譜，可以指導中子散射實驗中進行類似的測量和對比，如果測出如 Fig.4 一樣的譜學行為，就是去禁閉量子臨界點，就是量子物質科學新范式；如果測出如 Fig.5 一樣的譜學行為，就是普通的量子臨界點。這樣的區別和預言，老少皆宜，大家都能看的明白。
結語
要之，動力學性質的計算，是凝聚態物理學量子多體問題研究的方向。通過以量子蒙特卡洛為代表的大規模數值計算方法，結合場論等解析手段，理解、刻畫并預測關聯電子系統的動力學行為，推動理論和實驗的進展，這樣的工作才剛剛開始。如這篇文章的兩個事例所顯示的，以量子自旋液體、去禁閉量子臨界現象，還有非費米液體現象為代表的新的量子多體現象，正在日益動搖著凝聚態物理學中朗道-金茲伯格-威爾森相變理論和費米液體理論等傳統的框架。以拓撲序、分數化、物質場與演生規范場耦合為代表的新的進展，正在呼喚著量子物質科學新范式的建立。在這個過程中，量子多體問題的動力學性質計算，打通數值、理論與實驗的界限，必將扮演著越來越關鍵的角色。
這個春天已經過去，狂躁的人們還在狂躁著。
展開 同時凝聚態物理諸多前沿問題也都與低維材料及其制備工藝息息相關。然而，目前對于低維非晶材料的研究及相關報道還很少。2007年，Ediger利用薄膜沉積技術獲得了超穩玻璃，2008年Forrest發現玻璃表面具有類液體性質(49)，此后非晶薄膜與表面的研究逐漸得到了研究者們的關注。由于對納米非晶顆粒的動力學特征以及與其相似尺度的晶體材料的差異研究很少，因此，低維非晶材料動力學行為研究對認識非晶基本科學問題如玻璃轉變、力學行為具有重要意義。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心汪衛華研究組在低維非晶顆粒動力學研究中取得進展，博士生曹乘榕等在研究員白海洋的指導下，和谷林研究組合作，通過PLD在非晶氮化硅襯底上沉積Pd80Si20超薄膜，形成不同尺寸的PdSi納米顆粒（如圖1所示）。在電子束輻照條件下，通過高分辨透射電鏡和球差電鏡原位觀測，實時觀測到這種納米顆粒逐漸開始隨機運動，并在顆粒間距小于1nm時發生顆粒之間的碰撞融合，整個過程僅在數秒至幾十秒內完成，如圖2所示。根據納米顆粒合并過程的觀察時間t，利用顆粒融合模型：τ=ηd/γ，估算出納米顆粒的粘度值η，τ為合并弛豫時間，γ為顆粒表面能，d為顆粒直徑。研究發現納米顆粒粘度與直徑有冪律關系：η∝d4.2。圖3和圖4展示了非晶顆粒、晶體顆粒及非晶-晶體顆粒合并過程中動力學差異對比。可以看出相同尺寸的非晶顆粒在80秒內完成了整個合并過程，但晶態顆粒到100秒時仍未完全合并，從而觀測到非晶顆粒具有比晶態顆粒更高的動力學活性。觀測到非晶顆粒的粘度為109 Pa·s，比玻璃轉變時的玻璃粘度（1013Pa·s）低4個數量級，其粘滯系數和過冷液體類似，從而證明非晶納米顆粒在室溫下表現出類液體行為。
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在當代凝聚態物理與光學交叉的前沿研究領域中，連續譜中的束縛態（BIC）作為一種反直覺的物理現象，正逐漸成為科學研究的焦點。從量子力學和經典電動力學的基礎理論出發，BIC 違背了傳統意義上對束縛態和連續態的認知。
依據麥克斯韋方程組所描述的電磁輻射原理，處于連續譜中的態通常會因與輻射場的耦合而發生能量耗散，進而導致態的衰減。然而，BIC 卻能在連續譜中穩定存在，形成一種獨特的局域化能量狀態。
近年來，通過考慮模態相干作用和非諧性對熱導率的貢獻，非晶材料的導熱理論取得了一定進展，然而，由于非晶材料原子尺度結構的復雜性及當前實驗和計算手段的局限性，全面理解非晶材料的結構對熱輸運特性的影響機理并建立二者之間的定量關系仍是凝聚態材料物理中待解決的挑戰性難題。
目前，盡管在理論研究方面取得了重大進展，但由于無序系統的精確建模仍然存在顯著的挑戰。
另外，NbOCl?具有的極弱層間電子耦合以及塊體中類單層的顯著激子效應等特性，區別于目前已報道的其他二維材料體系，將為凝聚態物理研究者，尤其是二維材料研究者提供了一個獨特的研究對象，有望產生一些新的物理。另外，對于二維材料異質結的構建來說，NbOCl?作為一個全新的候選“模塊”，其特性有望帶來一些新的器件概念。
這種非互易拓撲光子晶體與凝聚態物理中的量子反?；魻栃鶎儆陉惤^緣體，在他們的邊界上都擁有單向傳輸的手性邊緣態(chiral edge state)。
之后，美國麻省理工學院的Marin Solja?i?教授課題組加工制作出了這種二維光學陳絕緣體，并通過實驗直接驗證了一維單向手性邊緣態的存在。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心汪衛華研究組在低維非晶顆粒動力學研究中取得進展，博士生曹乘榕等在研究員白海洋的指導下，和谷林研究組合作，通過PLD在非晶氮化硅襯底上沉積Pd80Si20超薄膜，形成不同尺寸的PdSi納米顆粒（如圖1所示）。
歡迎彈幕抽獎
第①講：GROMACS建模方法和策略 【5月11日（本周三）20:00】
第②講：GROMACS結構和動力學分析【5月12日（本周四）20:00】
第③講：GROMACS自由能計算方法介紹【5月13日（本周五）20:00】
講師：田文得 蘇州大學 教授
# 美國密西根大學安娜堡分校化學工程系訪問學者
# 主要從事軟凝聚態物理及交叉領域研究，致力于從微觀到介觀尺度軟物質結構和動力學的表征
自1999年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析重點實驗室陳小龍研究團隊立足自主創新，利用自主研發的生長設備，系統研究了SiC晶體生長的熱力學和生長動力學基本規律，認識了晶體生長過程中相變、缺陷等的形成機制，提出了缺陷、電阻率控制和擴徑方法，形成了系列從生長設備到高質量SiC晶體生長和加工等關鍵技術，將SiC晶體直徑從小于10毫米(2000年)不斷增大到2英寸(2005
分數量子霍爾效應是凝聚態物理和量子計算的一個關鍵主題。
新研究是普林斯頓大學電子和計算機工程教授、首席研究員Mansour Shayegan和高級研究學者Loren Pfeiffer持續合作的一部分。
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維格納晶體，使凝聚態物理學家著迷了近
講師：
嚴密博士（Wolfram 技術工程師）
畢業于弗吉尼亞理工大學（研究方向——理論凝聚態物理領域 - 量子動力學和光學晶格中超冷原子的相變）。
