00_intro_2018_feb04 (1182287)
Текст из файла
Московский физико-технический институтКафедра общей физикиВводные замечания к курсу«Основы современной физики: Квантовая макрофизика».В.Н.ГлазковМосква2018Предметом курса физики 6 семестра является квантовая макрофизика —квантовые явления в многочастичных системах. В основном речь пойдёт оявлениях, относящихся к области физики, называемой физикойконденсированного состояния или физикой твердого тела. 1 Цель этойнебольшой вводной заметки — показать, что интересного есть в этой областифизики, какие концепции объединяют изучаемые явления, и почему этоинтересно.Действительно, может представляться, что фундаментальные законы физикилежат либо в космологической области, либо в области физики элементарных(всё более и более элементарных) частиц.
А после этого можно сказать, какприписывается Дираку, «всё остальное — химия».2Однако природа оказывается устроена интереснее и при объединении большогоколичества элементарных частиц вместе возникают явления, которые несводятся к свойствам составляющих частиц. По знаменитым словамП.В.Андерсона3: «More Is Different». Аргументы Андерсона изложены в статьев Science [1] в сжатой, яркой и наглядной форме, и их пересказ отнимет услушателя эстетическое удовольствие от знакомства с этой работой.
За 40 лет,прошедших с момента этой публикации эти аргументы не устарели. Приведёмлишь один из них: ряд естественных наук может быть условно выстроен влестницу «атомная и ядерная физика — физика конденсированного состояния— химия — биология — ....». В этой последовательности предмет«предыдущей науки» является «элементарной частицей» для последующей. Нопри этом на каждой новой «ступени» возникают новые качественныезакономерности.Физика конденсированного состояния является первой из «не элементарных»наук в этой последовательности. Поэтому изучение открывающихся новыхзакономерностей в этой (иногда) ещё простой науке имеет и в каком-то смыслеобщефилософскую ценность, как пример возникновения новых явлений всистемах простых и понятных частиц. И этот пример позволяет в чём-то лучшепонимать и формирование наук на следующих ступеньках этой лестницы.О каких же явлениях пойдёт речь?Во-первых, это основные состояния систем многих частиц.
Привзаимодействии макроскопически большого числа частиц часто возникает такназываемое спонтанное нарушение симметрии: возникают разного родаупорядоченные состояния. Этими упорядоченными состояниями являются ипривычные формы кристаллического порядка в твёрдых телах, и менеепривычные нам виды магнитного упорядочения в кристаллах, и совсемэкзотические формы нарушения симметрии системы многих тел типасверхтекучести или сверхпроводимости.1 В англоязычной терминологии ”condensed matter physics”2 “the rest is chemistry” в англоязычной литературе3 П.В.
Андерсон (P.W.Anderson) — нобелевский лауреат по физике 1977 годастр. 2 из 5v.10.02.2017Во-вторых, это вопросы термодинамики систем многих тел. Как только найденоосновное состояние системы, соответствующее её устройству при T =0 ,возникает вопрос о поведении системы при T ≠0 . При этом, если основноесостояние характеризуется спонтанно нарушенной симметрией, это нарушениесимметрии будет исчезать с ростом температуры — что соответствуетразличного рода фазовым переходам между состояниями.Кроме того, оказывается, что при не слишком высоких температурахотклонение состояния сложной системы макроскопически большого количествавзаимодействующих частиц от основного можно описывать на достаточноуниверсальном языке квазичастиц — элементарных возбуждений,распространяющихся над «вакуумом» основного состояния.
Разнообразиеспектральных свойств возбуждений в различных системах и возможностьконтролировать параметры этих спектров внешними воздействиями илиподбором материала позволяет изучать разнообразные квазичастицы иногдаформально аналогичные (а иногда, наоборот, не имеющие аналогов)«нормальным» частицам физики элементарных частиц.Наконец, ещё одной интересной возможностью физики конденсированногосостояния является возможность получать системы с пространственнойразмерностью меньше трёх: двумерные и одномерные системы. Такаявозможность для «обычных» частиц отсутствует в принципе, что частозаставляло нас в курсе ядерной физики ограничиваться приближённымирезультатами одномерной модели для оценки какого-то эффекта. В физикеконденсированного состояния двумерные и одномерные системы — этореальность, доступная не только теоретику, но и экспериментатору.При этом физика остаётся единой наукой — методы и идеи, развивающиесясначала в физике твёрдого тела начинают использоваться в физикеэлементарных частиц или космологии, или, наоборот, теоретико-полевыеподходы активно применяются при описании явлений в физикеконденсированного состояния.
Концепция спонтанного нарушения симметриивозникла изначально как часть теории Ландау фазовых переходов второго рода,а позднее стала использоваться для описания разделения фундаментальныхвзаимодействий на ранних этапах развития Вселенной. В статье [2],посвященной открытию бозона Хиггса, В.А.Рубаков пишет: «Эффективнаятеория сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау чрезвычайно похожа на теориюЭнглера-Браута-Хиггса (точнее, наоборот: теория Гингзбурга-Ландау на 14 летстарше)».Средиквазичастиц,описывающихсвойстванекоторыхтвердотельных систем, есть такие (см., например, [3]), взаимодействие междукоторыми растёт с увеличением расстояния между ними — в полной аналогии свзаимодействием (конфайнментом) кварков в мире элементарных частиц. Вчём-то физика-твёрдого тела оказывается даже богаче на возможности, чем мирэлементарных частиц.
Цитируя ту же статью В.А.Рубакова [2]: «Самоеудивительное <...>: механизм Энглера-Браута-Хиггса — отнюдь нестр. 3 из 5v.10.02.2017единственный возможный механизм нарушения симметрии в физикемикромира и генерации масс элементарных частиц, <...>. Этому нас учит вчастности физика конденсированных сред. В ней имеется множество примеровспонтанного нарушения симметрии и разнообразие механизмов этогонарушения.
И в большинстве случаев ничего похожего на бозон Хиггса в этихпримерах нет». За один из примеров такого необычного нарушения симметрии(топологический порядок в одномерных и двумерных системах) былаприсуждена Нобелевская премия по физике 2016 года. При этом средиквазичастиц физики твёрдого тела присутствует, например, монополь,реализующийся в так называемом «спиновом льде» [4].Помимо этого единства теоретических методов и представлений, не менееважным является и взаимопроникновение экспериментальных методов.
Работамногих приборов, детекторов излучений основана на явлениях физикиконденсированного состояния (не говоря о том, что вся нашаполупроводниковая электроника работает на принципах физии твердого тела).Сверхпроводящие магниты используются и в медицинских томографах, и вускорителях частиц. И в то же время методы и технологии других разделовфизики становятся инструментом физики конденсированного состояния:ускорители предыдущих поколений перепрофилируются в источникисинхротронного излучения, мюонные пучки используются как инструментзондирования, исследовательские реакторы дают интенсивные потокинейтронов, применяемых для изучения структуры кристаллов и спектровэлементарных возбуждений.Таким образом, физика конденсированных сред продолжает оставатьсядинамично развивающейся, современной областью физики и изучение этогораздела физики логично завершает цикл курса общей физики МФТИ.Структура курса примерно следующая: сначала мы познакомимся сосвойствами кристаллов (это необходимо для ознакомления с языком инекоторыми методическими особенностями физики конденсированногосостояния), далее рассмотрим особенности движения частиц в кристалле, скоторыми связаны металлические или полупроводниковые свойства материала,а после этого рассмотрим несколько актуальных вопросов современной физикиконденсированного состояния — низкоразмерные системы, сверхпроводимость,магнитные свойства многочастичных систем.Чтение курса начато в 2014-2015 учебном году.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
