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凝聚态物理简史 (2)

     凝聚态物理最困难的地方在于,电子之间存在相互作用,因此任意两个电子的运动是互相关联的。一个宏观物体包含10^23量级的电子,求解如此多变量的薛定谔方程是不可能的,因此必须寻求各种近似。能带理论通常采用所谓的单电子近似,即认为每个电子在其他所有电子形成的自洽势场以及原子实的库仑势中运动,而整体的波函数是单电子波函数的乘积(考虑泡利原理的话还要做反对称化)。尽管很长一段时间内这种近似缺乏一个确切的理由,但无疑它是非常有效的,能带论的成功便是明证。

        1950年代,苏联的朗道提出了相互作用电子体系的一个有效理论,称之为费米液体理论。在物理学中常把无相互作用的系统称为气体,而液体就是气体加上相互作用之后连续演变过来的状态。因此粗略地说,费米液体理论表明相互作用电子体系其实和无相互作用体系的性质-差不多。相互作用的修正主要体现在一个电子的运动会影响周围的电子,于是形成整个系统的集体运动,朗道把这种集体运动模式称为“准粒子”,而整个系统的能量和动量由准粒子携带。这样一来,准粒子动量不再是单个电子的质量乘以速度,或者反过来说准粒子的有效质量不等于电子质量,除此之外准粒子的电荷与自旋和电子一样,因此它仍然是费米子服从泡利原理,这就是“费米液体”的含义。在低温下费米液体的行为就像是一群存在微弱相互作用的准粒子,它的比热、压缩率、磁化率等完全取决于准粒子质量和有限的几个相互作用参数,只要从实验上测得了这几个参数,那么费米液体的低温性质就完全确定了。Excellent!一个如此复杂的体系,最后仅需要几个参数就刻画了它的行为,这是一个典型的有效理论的例子。所谓有效理论,指的是描述一个系统在一定能量尺度内的行为的理论(通常是低能区)。凝聚态系统由于其复杂性,很难从基本定律出发直接计算得到结论,但是在一定能量范围内常呈现比较简单的规律性。于是结合基本理论的特征以及实验结果,就有可能得到适用于该能区的相对简洁的有效理论。费米液体理论是一个非常成功的例子,它刻画了一大类金属中的电子系统以及液氦-3这样的液体的低能性质,是凝聚态物理的基石之一。

    朗道在凝聚态物理的许多方面都有重要贡献,他获得诺贝尔奖的工作是关于液氦-4的超流性,这还是1940年代的事情。所谓超流性,指的是某些液体在低温下可以无阻尼地流动,从现象上看这和超导电性有一定的相似之处。朗道给出了阻尼的微观解释:系统自发产生动量方向和流体宏观速度相反的集体激发。集体激发是和准粒子类似的概念,一个典型的例子就是固体或液体中的声波,按照量子力学的观念,波也是粒子,因此携带有动量和能量。基于这样的物理图像,朗道成功解释了超流体的临界速度-流速大于这个值时就有阻尼产生,并且猜测出了集体激发的色散关系-也就是能量对动量的依赖关系,这些关系后来被实验所证实。

     朗道的另外一项工作-连续相变理论,同样对凝聚态物理产生了深远的影响。所谓相变是指物体从一种宏观状态变为另一种宏观状态,比如水结冰。凝聚态物理中的相要比通常的固液气三种状态丰富得多,像绝缘体,导体,超导体就是三种不同的相,有磁性和无磁性也是不同的相。朗道指出连续相变的本质是系统的对称性发生了变化,像水这样的液体是各向同性的,并且具有任意的平移不变性,而结冰以后就有了晶格结构,只有离散的对称性,因此伴随着相变发生了对称破缺。对称性的降低意味着出现了某种序,对于冰来说这就是晶体序,水分子按照一定的规则排列。这套理论成了后来研究相变的基石,至今为止,凝聚态物理中的大多数相变都在这个框架之内。朗道本人和金兹堡合作发展了金兹堡-朗道理论描述超导电性,尽管当时对超导的微观机理尚不了解,但是基于相变理论的基本精神,他们仍然给出了正确的超导体自由能形式,并且解释了之前已知的很多实验现象。在他们理论的基础上,阿布里科索夫发现了磁场中超导体的一种奇妙状态-磁通格子态:磁场只能穿透超导体的部分区域,而所有的这些区域排列成了一个三角形的点阵。几十年后,这些发现为金兹堡和阿布里科索夫赢得了诺贝尔奖。

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