实用量子物理新进展第三版3篇

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量子物理新进展第三版篇1

量子物理的小故事

原来量子力学是这么搞出来的(献给学习固体物理的苦主们)来源： 宋飞 leon的日志

一

故事发生在二十世纪初的法国。

巴黎。

一样延续着千百年的灯红酒绿，香榭丽舍大道上散发着繁华和暧昧，红磨坊里弥漫着躁动与彷徨。

路上走着一个年轻人，名叫德布罗意（de broglie）。在当时，这名字屌得就跟你说你姓爱新觉罗一样。事实上德布罗意的爸正是法国的一个伯爵奸内阁部长，德布罗意正是一个典型的富二代。

这样一个不愁吃穿不愁房只是成天愁着如何打发时光的纨绔子弟自然要找一个能消耗精力的东西来度过那些寂寞的日子。这一点至今未变。

而他选择了„„研究中世纪欧洲史，据说这倒也不仅是为了装b——中世纪史中有着很多神奇的东西吸引着他，据说。

时间转眼到了１９１９，这个科学界骚动的年代。

比如，就在这一年，德布罗意突然萌生了转系的念头。他发现，原来物理学中有着更多神奇的东西吸引着他，尤其是感兴趣于当时正流行的：

量子论。

简言之，他就是迷恋于当时一个很潮的观点：光是粒子。

按说这本该不值个烂钱，因为几百年前一个大牛牛顿就曰过：光是粒子。不过后来这个观点被菲涅尔、泊松一群做光学的搞得很久不流行了。几百年来，科学界正统的观点是：光是波。十几年前的一天，某君普朗克突然说：原来光还是粒子啊~~！大家本来不想鸟他，结果爱因斯坦用他的理论做着做着就做出了光电效应！这本来是物理学里的一朵乌云，现在突然没了，于是学界就哗然了。

当年的德布罗意倒并不见得对这一观点的物理思想有多么深刻的见地，按他的理解，光是粒子就是在说原来牛顿是对的我们被后人忽悠了。或许一时冲动，年轻人告别了中世纪欧洲史，告别了奢侈糜烂的生活，来到了一派宗师朗之万门下，说：请您收我念phd吧。

二

历史上，郎之万为什么给德布罗意offer已经很难说清，德布罗意到底花了多少精力去读他的phd也已经很难说清。白驹过隙，五年说过就过了。作为历史系中世纪欧洲史专业的德布罗意，发现转到物理系以后的确力不从心。

当下，很现实的问题就是如何搞定那篇令他蛋疼的毕业论文，算是对青春一个交代。

这个问题让他辗转反侧很多年。毕不了业，烦！德布罗意只听爱因斯坦那帮家伙一直念什么光是粒子还是波„„普朗克早不念了，他不坚定，已经完全抛弃自己当初的量子假设，转回去做经典了。波呢，还是粒子？粒子呢，还是波？还是是粒子又是波

呢？毕不了业啊，烦！

纠结五年终于过去了。抓住１９２４的尾巴，德布罗意终于提交了自己的博士论文。

不计封面，论文只有一页之多一行。遥想在那个没有枪手、没有万方的时代，这已经是不容易了。

他的一页纸的论文反复而执着地论述粒子是波波是粒子，说来说去就一句话：既然波可以是粒子，那么粒子未必不能是波。光既然可以既是粒子又是波，别的粒子干嘛不行？

波的波矢和角频率与粒子动量和能量的关系是：

p=h/(2*pi*k), e=hv

这是他的论文里出现的唯一两个公式，其他主要是议论和感想。

其实，就这两个公式也是从爱因斯坦发表于1905年那篇《光电效应》中借用而来的。

很难想象这样1篇博士论文是怎样通过答辩的。

正式表决之前，德布罗意的老板也就是朗之万得知，论文评审委员会的六位教授中的三位表示一定会投反对票。

本来在欧洲，一个学生苦读数年都那不到学位是很正常的事情，更别说一个来混日子的的花花公子。这一点也至今未变。

然而，偏偏德布罗意的父亲又是一位权高望众的内阁部长。名门之下，德公子寒窗五年，最后连一个都没拿到，双方岂不都很没面子？

情急之中，朗之万往他的一个好朋友那里寄了一封信。

也许当初的朗之万只是碍于情面想帮德布罗意混得一个phd，然而事实上，这一封信却改变了科学史。

三

这封信的收信人是爱因斯坦。

信的内容大致如下：

尊敬的爱因斯坦阁下：

在我这里有一位研究生，已经攻读了五年的博士学位，如今即将毕业。给你看他的毕业论文！当中有一些想法„„我觉得很新鲜„„

„„请问您怎么看？

另，该研究生的父亲是弊国的伯爵，内阁的**部长„„

若您„„将来您来法国一定会受到最隆重的接待！

朗之万

就是说，如果您不肯给个面子，以后就甭来法国了。

不知爱因斯坦是出于知趣呢，还是出于因为自己当年的离经叛道产生的惺惺相惜，对着这满篇色即是空空即是色一样的文字盯了半天，他很客气回了一封信，大意是说：it is interesting.在英语里，interesting一般用于描述一种想说它好却说不出怎么好所以不知怎么说才好的微妙状态。此时的爱因斯坦已颇有威望，既然他都说interesting了，评审委员们也就心领神会了。

终于，化险为夷。

浪荡子弟德布罗意就这样拿到phd，回去炫耀去了。

按照当时欧洲的学术

传统，朗之万需要将德布罗意的博士论文分寄到了欧洲各大学物理系。

几乎所有人都以为事情会就此了结，以为德布罗意那篇“很有趣”的博士论文在档案堆里从此埋没。

然而历史总喜欢以不确定性原理来开玩笑。而这个玩笑顺带着改变了许多人的命运。

在朗之万寄出的博士论文中，有一份来到了维也纳大学。

四

1926年春，维也纳。

当时在维也纳大学物理系老大是德拜，他收到这份博士论文后，把它交给了他的组里面一位已经年届不惑的老讲师，说：回去看了下次组会讲下。

想一想，一大把年纪了还在讲台上晃荡，其学术生涯多么朦胧而惨淡。德拜将任务交给他时说：

“你现在研究的问题不重要，不如给我们讲讲德布罗意的论文吧。”

这位讲师的名字叫做：

薛定谔

在接下来的两周里，薛定谔仔细的读了一下德布罗意的“博士论文”，其实从内容上来讲根本就用不上“仔细”二字，薛定谔的这篇论文只不过一页之多一点，公式也不过就两个而已，并且是已经在爱因斯坦发表的论文中出现过的。

然而论文里说的话却让薛定谔一头雾水，薛定谔只知道德布罗意大讲了一通“波即粒子，粒子即波”，除此之外则是两个黄鹂鸣翠柳——不知所云。

两周之后，薛定谔硬着头皮把这篇论文的内容在seminar上讲了一下，讲完之后，听这也是云里雾里，而老板德拜则做了一个客气的评价：

“这个年轻人的观点还是有些新颖之处的，虽然显得很孩子气，当然也许他需要更深入一步，比如既然提到波的概念，那么总该有一个波动方程吧！”

多年以后，有人问及德拜是否后悔自己当初作出了这一评论，而没有自己埋头深入，德拜自我解嘲的说：

“你不觉得这是一个很好的评论吗？”

德拜建议薛定谔做一做这个工作，两周以后seminar的时候再讲一下。

仅仅两周，世界为之一变。

薛定谔再次出现在seminar上讲解德布罗意的论文的时候，他宣布，他为德布罗意的“波”找

了这样一个方程。

这个方程就是“薛定谔方程”！

当然，在薛定谔方程诞生之初，没人真正把这给德布罗意的“波”生搬硬套上的方程当回事。常识是：德布罗意的那篇论文已经是学界公认的垃圾了，而从垃圾里翻出来的自然如同垃圾。当时还有一首打油诗讽刺薛定谔和他的方程：

欧文的psi，算来真灵通； psi是个啥，没人看得懂。

psi是薛定谔方程中的波动变量，欧文是薛定谔的名字。

“这货不至于是

个鸡肋吧！”他想。

薛定谔的故事似乎要再一次陷入平庸，然而平庸往往是正酝酿奇迹的缘由，只因人对平庸的不甘。

五

如果把上世纪初的物理学比作一潭湖水，前面的故事都好比湖水深处的**——湖的表面却是风平浪静。

纵观两年以来的物理学界：哥本哈根已然成为量子理论界的“屠龙”——普朗克和爱因斯坦理论的启发下，哥本哈根学派掌门人一代宗师玻尔提出了著名的“三大核心原理”，成功解释氢光谱。1925年，玻尔的得意大弟子海森堡进一步提出了描述氢原子轨道的理论。那个年代，没有线代，没有数学物理方法，精通数学的物理学家本来屈指可数，就连数学很强的海森堡本人也并未必知道同时代那些数学家在搞什么飞机。在他的理论出炉之后，学弟玻恩悄悄地告诉海森堡大师兄你用的东西在数学里叫：矩阵。

于是，矩阵力学走上了历史的舞台。

天下大变，仅一步之遥。

此时的薛老师正带着他的情妇在阿尔卑斯山滑雪。

不知是大自然的唯美风景还是身边的温香软玉，冥冥之某种存在，给予薛定谔灵感。在“那两周”的最后几天里：

他从方程中得出玻尔的氢原子的解！

六

倚天一出，四海皆惊。

没人再敢把薛定谔的方程当扯淡了。

哥本哈根学派的掌门玻尔大为惊骇，急信至维也纳把薛定谔邀请到哥本哈根，切磋量子之精妙。

然而让玻尔遗憾的是，“切磋”了十天，不知因哥本哈根那帮子哥们儿的数学太强了还是薛定谔的数学太挫了，反正两个人根本不知道对方在说什么。在一场令人疲惫不堪又毫无结果的“哥本哈根论剑”之后，波尔悻悻地目送薛定谔回到维也纳。

薛定谔坚持努力工作，不久，矩阵力学和他的波动方程在数学上被证明等价。

“倚天”“屠龙”，合铸为一。

在此之后，薛定谔不断试图从更基本的原理和假设出发导出更基本的方程，但始终没有成功。不久他终于对这一切失去了耐性：他也转系了，去研究“生命是什么”。

历史继续着它的历史剧，不懂数学的德布罗意和薛定谔秒杀了那一年的诺奖，成为了闹剧中的主角。

按这故事的尿性，该是尾声了。

在这一让人啼笑皆非的历史中，上帝还是保留了某种程度的公正。

薛定谔得出它的波动方程仅在海森堡的矩阵力学的的诞生一年之后，倘若上帝把这个玩笑开得更大一点，让薛定谔在1925年之前就导出薛定谔方程，那恐怕矩阵力学就根本不可能诞生了。（波动方程也就是偏微分方程的理论是为大多

数物理学家所熟悉的，而矩阵在当时则几乎没人能懂。）如此则此前在量子领域辛苦奋斗了十几年的哥本哈根学派就真要集体吐血、暴毙而亡了！

薛定谔方程搞出了薛定谔方程，却到死都没有真正理解这个方程微妙，而对方程的解释也是错误的——正解为哥本哈根学派的玻恩作出。玻恩的解释让物理学界另一位大师——爱因斯坦极为震怒，他至死念念不忘“上帝是不掷筛子的”，此为后话。

而更为基本的物理，薛定谔试图获得而无力企及，则是有根本哈根学派的另一位少壮派弟子——狄拉克做出的。狄拉克领袖群伦，同克莱默、约尔当，也包括后来的魏扎克和伽莫夫、朗道等几代物理学家的努力，不断对理论进行修缮，最终确立了量子论的正统解释，史称“哥本哈根解释”。

量子力学的殿堂终于建立起来。

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量子物理新进展第三版篇2

第十五章量子物理作业题

一、选择题

1、下列物质哪个是绝对黑体（）。

（a）不辐射可见光的物体（b）不辐射任何光线的物体

（c）不能反射可见光的物体（d）不能反射任何光线的物体

2、提出量子概念解决黑体辐射问题的物理学家是

（a）普朗克（b）爱因斯坦（c）玻恩（d）玻尔

3、光电效应表明（）。

（a）光的能量是量子化的(b)光的能量是连续的(c)光具有波动性(d)光具有粒子性

4、下列说法正确的是（）。

（a）实物粒子既具有粒子性，也具有波动性；

(b)光的能量是连续的；

(c)光具有波动性，但无粒子性；

(d)电子具有粒子性，但无波动性；

5、康普顿效应表明（）。

（a）电子具有波动性(b)电子具有粒子性

(c)光具有波动性(d)光具有粒子性

6、若用频率为（波长为）的单色光照射逸出功为a的某金属，发生 了光电效应，其爱因斯坦光电效应方程为：（）

h12hc12mvmamvmac22（a）(b)

h12hc12mvmamvmac22(c)(d)

二、简答题

1、什么是光的波粒二象性？波动性和粒子性如何表现？

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3、微观例子(如电子)同光子一样具有波粒二象性，它们之间有什么区别，它们的波动性有什么不同？

三、填空题

1、已知地球跟金星的大小差不多，金星的平均温度约为773 k，地球的平均温度约为293 k。若把它们看作是理想黑体，这两个星体向空间辐射的能量之比为。

2、钾的截止频率为  1014 hz，今以波长为 nm的光照射，则钾放出的光电子的初速度为

1ms。

3、波长×10-10m的电子的动量为总能量；波长×10-10m的光子的动量为总能量；

4、动能为 ev的电子的德布罗意波的波长为。

5、测定核的某一确定状态的能量不准确量为1ev，则这个状态的最短寿命是秒。

6、氦氖激光器所发红光波长 = nm，谱线宽度=10-9 nm，当这种光子沿x方向传播时，它的x坐标的不确定量是。

四、计算题

1、金属钾的逸出功为，求：

（1）光电效应的红限频率和红限波长；（2）如果入射光波长为300nm，求遏止电压。

2、假定对某个粒子动量的测定可精确到千分之一，试确定这个粒子位置的最小不确定量。

（1）该粒子质量为5×10-3kg，以2m·s-1的速度运动；

（2）该粒子是速度为×108m·s-1的电子。

位置的不确定量为 m，求其速率的不确定量。

4、一束动量是p的电子，通过缝宽为a的狭缝，在距离狭缝为r处放置一屏，屏上电子衍射图样中央最大的宽度是多少？

量子物理新进展第三版篇3

摘 要在中国科学技术大学（以下简称中国科大）建校50周年之际，文章作者对近年来中国科大在高温超导物理方面的最新研究进展情况作一介绍，包括新型高温超导材料探索研究和高温超导机理实验研究.在新型高温超导材料探索研究方面，文章作者首次发现了除高温超导铜基化合物以外第一个超导温度突破麦克米兰极限（39 k）的非铜基超导体――铁基砷化物smo1-xfxfeas，该类材料的最高超导转变温度可达到55k；中国科大还成功地制备出大量高质量的超导化合物单晶，包括nd2-xcexcuo4,naxcoo2,cuxtise2等.在高温超导机理实验研究方面，中国科大系统地研究了smo1-xfxfeas体系的电输运性质给出了该体系的电子相图；发现了在电子型高温超导体中存在反常的热滞现象和电荷-自旋强烈耦合作用；在naxcoo2体系中也开展了系列的工作，并且首次明确了电荷有序态中小自旋的磁结构问题；此外，还系统地研究了cuxtise2体系中电荷密度波与超导的相互关系.??

关键词高温超导,铁基砷化物,自旋-电荷耦合,电荷有序,电荷密度波?おお?

high|tc superconductivity research in the university of ??science and technology of china?お?

chen xian|hui?k??

(hefei national laboratory for physical sciences at microscale and department of physics, university of ??science and technology of china, hefei 230026, china)?お?

abstractto celebrate the 50th anniversary of the founding of the university of science and technology of china, a brief review is presented of recent research on high|tc superconductivity search for new high|tc materials and experimental research on the mechanism of high|tc superconductivity led to our discovery of the fe|based arsenide superconductor――smo1-xfxfeas, which is the first non|copper|oxide superconductor with a transition temperature beyond the mcmillan limit(39 k), while the highest transition temperature in this system can reach 55 variety of superconducting single crystals including nd2-xcexcuo4, naxcoo2 and cuxtise2 have been successfully understand the mechanism of high|tc superconductivity we have systematically studied the electronic transport of the smo1-xfxfeas system and proposed a corresponding electronic phase al thermal hysteresis and spin|charge coupling have been found in electron|type high|tc the naxcoo2 system the magnetic structure of the small magnetic moment in the charge ordered state has been relationship between charge density waves and superconductivity in the cuxtise2 system has also been studied.??

keywordshigh|tc superconductivity, fe|based arsenide, spin|charge coupling, charge ordering, charge density wave

引言??

上世纪80年代末，高温超导铜氧化合物的发现引发了全球研究高温超导的热潮.至今，高温超导的研究已经有22年的历史，在20多年的广泛研究中,人们积累了大量的实验数据和理论方法.到目前为止，虽然已经有许多很好的理论模型，但是高温超导机理问题仍然没有完全解决，许多实验的结果还存在争议.??

铜氧化物的奇特物理源自于电子的强关联效应，而且人们发现这种强关联效应是普遍存在于物质之中的，尤其是在d电子和f电子化合物中最常见.高温超导的研究也不再局限于认识高温超导电性本身，而是要理解强关联效应背后所有的物理现象以及如何建立研究强关联体系的范式.因而强关联体系中的超导现象也就成为高温超导的研究范围，并且吸引了人们极大的兴趣.我们的工作的重点就是围绕新的高温超导材料以及强关联超导材料开展的.??

这里我们将分为两个方面来介绍我们的工作进展，即新型高温超导材料探索和高温超导机理实验研究.?? 研究工作的进展情况??

新型高温超导材料探索??

新高温超导体的发现??

1986年，ibm研究实验室的德国物理学家柏诺兹与瑞士物理学家缪勒在层状铜氧化合物体系中发现了高于40k的临界转变温度［1］，随后该体系的临界温度不断提高，最终达到了163k（高压下）［2］.该发现掀起了全球范围的超导研究热潮并且对经典的“bcs”理论也提出了挑战.德国物理学家柏诺兹与瑞士物理学家缪勒也因为他们的发现获得了1987年的诺贝尔物理学奖.自从层状铜氧化合物高温超导体发现以来，人们一直都在致力于寻找更高临界温度的新超导体.然而到目前为止，临界温度高于40k的超导体只有铜氧化合物超导体.在非铜氧化合物超导体中，临界温度最高的就是39k的mgb2超导体［3］.但是该超导体的临界温度非常接近“bcs”理论所预言的理论值［4］.因此，寻找一个临界温度高于40k的非铜氧化合物超导体对于理解普适的高温超导电性是非常重要的，尤其是高温超导的机理到目前还没有得到类似于“bcs”一样完美的理论.在我们最近的研究中，我们在具有zrcusias结构的钐砷氧化物smfeaso1-xfx中发现了体超导电性［5］.我们的电阻率和磁化率测量表明，该体系的超导临界温度达到了43k.该材料是目前为止第一个临界温度超过40k的非铜氧化合物超导体.高于40k的临界转变温度也有力地说明了该体系是一个非传统的高温超导体.该发现势必会对我们认识高温超导现象带来新的契机.??

关于电荷有序naxcoo2体系的磁结构一直以来都存在争议，被大家普遍接受的磁结构有两种:一种是由美国mit实验组提出的类似“stripe”的磁结构［52］，另一种是由日本实验组提出的有大、小磁矩的磁结构［53］.通过研究磁场下角度依赖的磁阻，我们从实验上给出了强有力的证据,证明了日本实验组给出的磁结构更加合理［54］，从而解决了关于磁结构的争论.并且我们还通过我们的结果首次确定了电荷有序naxcoo2体系的小磁矩的磁结构.另外我们还在实验中发现，在x=时，体系的小磁矩会形成面内铁磁性［55］.该实验进一步证明了大、小磁矩磁结构的正确性，并且表明体系的小磁矩的磁结构是强烈依赖于na的含量.基于以上两个发现，我们又进一步证明了，在强场下，小磁矩会发生一个磁场诱导的自旋90度翻转，并且同时伴随有磁性的转变［56］.至此，我们对该体系的磁结构有了一个完整的认识，并且给出了该体系在电荷有序附近的磁性相图.在对磁结构认识的同时，我们还发现了该体系具有很强的自旋电荷耦合，这将有助于我们理解体系的超导电性.??

cuxtise2体系的研究??

过渡金属二硫族化合物（tmd’s）具有非常丰富的物理现象.不同的化学组成和结构可以导致迥然不同的物理性质.例如，两维体系的电荷密度波是首先在tmd’s中发现的［57］.电荷密度波态，1t结构的tas2会在费米面打开一个能隙［58］，但在2h结构的tas2中，能隙只是部分打开［59］，而在1t结构中的tise2中却没有任何能隙的打开［60］.非常有意思的是，超导电性总是在2h结构的tmd’s材料中和电荷密度波相互共存、相互竞争［61―63］，但在1t结构的化合物中，却很少观察到这种现象.最近，在1t结构的cuxtise2中发现的超导电性进一步丰富了tmd’s材料的物理内容［64］.在不掺杂的1t结构的tise2中，体系表现为cdw，并且这种材料中的cdw机制到目前还在争论中.随着铜原子的掺杂，cdw转变温度会迅速下降，这种情况类似于mxtise2’s(m=fe,mn,ta,v和nb)化合物［65―68］.与此同时，超导电性会在掺杂量为x=出现，并在x=达到最大值，然后转变温度开始下降，在x=时下降为令人惊奇的是，这样一个相图和高温超导铜氧化物以及重费米子体系是非常的类似的［69］，所不同的是，在这里与超导相互竞争的是电荷序，而在高温超导铜氧化物以及重费米子体系中是反铁磁序.在1t-cuxtise2体系中存在这种普适的相图是非常重要的，对它的研究将会给其他相关领域也带来重要的帮助.基于以上考虑，我们系统地研究了cuxtise2（≤x≤）单晶的输运性质、电子结构以及低温热导（x=??）［70―72］.当x≤，体系在低温下会形成电荷密度波，并在面内和面外的电阻率随温度曲线都表现出一个宽峰行为.随着cu的掺杂，电荷密度波被完全压制在x=附近，随后体系会出现超导电性且随cu掺杂而增强.体系的超导电性在x≥??以后开始被压制，在样品中，直到??都没有发现超导电性.通过角分辨光电子谱的研究，发现1t-tise2母体具有半导体类型的能带结构，并且发现，随着cu掺杂体系的化学势显著提高，从而导致电荷密度波的压制以及超导电性的出现.我们还通过低温热导的测量确定了该体系的超导为单带的s波超导.??

小结??

以上介绍了我们在高温超导领域的最新进展.我们不但在高温超导铜基化合物中取得了不错的成绩，在新超导体研究中也处于国际领先水平，尤其是在新的铁基高温超导体的研究方面.?オ?

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