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Modern Physics Seminar(7)

多铁性材料和超导


第一讲

介绍多铁性材料的磁电协同耦合。

拥有铁电、铁磁、铁弹中两种或两种以上的材料称为多铁性材料。

利用磁性多层膜的巨磁阻效应制造出了大容量的磁盘。 并发展出了自旋电子学,电子自旋散射,产生不同磁电阻。

自旋轨道相互作用,最初的原理又可以在某个苏联科学家的早期(1959年)论文中找到。 “铁磁+铁电”可以产生磁电耦合。 发展处单相多铁性、复合多铁性材料(0-3、1-3、2-2)。

界面不对称,界面原子扩散,使用人工微结构,插入层改善界面效应。

快速低耗连续调控多个非易失性的阻态。

展望:存储器、磁电耦合传感器、铁磁共振微波器件、微纳磁电马达。 人工智能与电阻非易失连续可调,比算法更像人脑。 电场、磁场、光学、应力对自旋、轨道、电荷、晶格的调控。


第二讲

超导具有零电阻和抗磁性。

主要的用途有:

  1. 超导输电;
  2. 高能粒子加速器;
  3. 国际热核聚变反应堆(ITER);
  4. 晶体生长,材料变性;
  5. 磁悬浮列车;
  6. 核磁共振(MRI);
  7. 超导量子干涉器(SQUID);
  8. 超导微波器件;
  9. 超导计算机。

零电阻现象最初在1911年,4.2K温度下的Hg发生零电阻现象。

BCS theory

  1. 超导相变前后,材料结构不变
  2. 超导能隙:比热
  3. 同位素效应,电-声子相互作用判断,把两个垫子耦合在一起,Cooper对

就超导态被破坏的方式而言,超导体可以分为两类。

  1. I类超导体:一旦外加磁场突破临界磁场Hc,将发生一级相变,超导态突然消失。
  2. II类超导体:有两级相变,电阻为零时磁场可以渗透进入超导体内部,不具有完全抗磁性,渗透的磁场以涡旋的形式存在,涡旋的中心不超导,超导体其余部分依然处于超导态。

利用超导中的缺陷进行磁通钉扎,可以有效的将第二类超导用于强电。 高温超导,77K或室温 铜氧化物,利用物理加压或化学加压(元素替代导致晶胞收缩), 高压下的金属氢也是超导体 未来需要解决的问题:

  1. 超导电子对如何配对,铁基超导中的反铁磁是否有关
  2. 超导电子的隧穿效应,超导异质结的
  3. 在强电(磁)场下的应用

老教师讲座之类比较有经验了,时间控制的比较好,内容太深的只是提一下并不深入,但也给了个可以深挖的方向,统揽全局的了解了一下多铁性材料和超导。

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Modern Physics Seminar(6)

宇宙学


  • 第一次讲座

Theme:The very early universe & the CMB physic Standard Model:Inflation & Hot Big Bang

宇宙微波背景(cosmic microwave background,CMB)是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射,约为2.725K。

反弹宇宙学(Bounce Cosmology)connecting fundamental thories with observation。

量子涨落被拉开,波长拉长,距离边远后退相干变为经典涨落。

Concordance Model,inflationary Lambda-CDM model,共有6个基本参数和5个导出参数。

CMB polarization,E mode 、B mode BICEF instrument of the south polar

寻找原初引力波,Primordial GWs

实验方法: 卫星有年限,不方便更新升级。

地面目前有四个地点:南极、智利高原沙漠、格陵兰岛、西藏阿里。

第一次讲座总结: Today

  1. the  past decade has witnessed the era of presision cosmology
  2. the paradigm of early universe has been greatly developed
  3. Big Bang cosmology has become the Standard Model
  4. Inflation obtained a large amount of initial achievements
  5. Bounce cosmology is ambitious on solving big bang singularty

In near future

  1. Very early universe opens a window to explore fundamental physics
  2. It becomes possiblle to observationally probe physicsnear the Big Bang CMB experiments
  3. CMB experiments in the north earth is necessary
  4. China’s Ali CMB project will be hte first CMB experiment int the north earth

  • 第二次讲座

Theme:Primordial GWs & the CMB physic 提到了今年的诺贝尔物理学奖,LIGO项目于1992年立项,1999年运行,到2009年没结果,然后停机维护升级,2015年继续开机。

寻找原初引力波的动机Motivation:

  1. produced in very early time (within 10^(-30)s)
  2. linearly decouple
  3. originated from quantum fluctunations

Harmonic Analysis for CMB Polarization 弯曲时空,引力透镜,把E mode变成B mode

CMB Perfect Blackbody

相比于第一次讲座科普性的内容,第二次讲座最大的感受,宇宙学也是扎实的理科,用数学工具精准描述的,用实验装置观测,其基础理论涉及到了电动力学、流体力学、热统等物理知识,也有量子力学的内容。而且老师很年轻,很有活力,对于自己所研究的事情很有兴趣,不断地问:“不知道你们有没有这样的感受,我是感觉很兴奋的。”

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Modern Physics Seminar(5)

空间等离子体物理。


宇宙中99%的可见物质都是等离子体,与托卡马克中的等离子体有所区别的是,空间等离子密度低,稀薄,可以看作无碰撞等离子体。

等离子会形成激波,通过电磁场来传播能量,对粒子进行加速。灾害性空间天气事件,如耀斑、磁层亚暴都与之有关。

磁重联过程是空间等离子体释放磁能的主要机制,将磁能转化为带电粒子的动能,可用Sweet-Parker模型对磁重联过程进行描述。

空间等离子体也可以看作流体,使用动力学方程。无碰撞磁重联Hall,使用磁流体力学(MHD)模型。当电子速度较小,可以看作冻结在磁力线上。当电子速度足够大,回旋半径和磁力线曲率半径。

雪崩是磁重联的触发方式。

主要的研究方法是通过卫星或卫星座对空间等离子进行观测。提出磁岛的产生和合并,还有辐射带模型,高能粒子如何形成和减少是尚未解决的问题。

空间中卫星故障,主要是单粒子效应引起,造成数字芯片的01错误,导致功能出错。在地面也可以模拟空间等离子体物理,对一些特定情况下的现象进行研究,比卫星方便灵活,但也有缺陷。

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Modern Physics Seminar(4)

上周调休,讲座又停了一周。这周开始等离子物理专题,只讲了周二一次,周四主讲人因急事又鸽了。


磁约束聚变物理简介


首先介绍了等离子体的特性,是在固态、液态和气态以外的第四大物质状态。

具有电荷的自由性、与电磁场不可分割的集体效应的特点,常用的研究方法有热力学与统计力学、电磁场理论和电动力学,以及流体力学的方法。

气体在高温或强电磁场下,会变为等离子体。提高温度是产生等离子体的途径。以某一温度划分,如10000°C(对应1eV)可以将等离子体划分为高温等离子和低温等离子体。其中低温等离子体又可以划分为冷等离子体(非热平衡)和热等离子体(热平衡)。

简单回顾了等离子物理发展过程中的重要事件。

  • 1923年,Debye 发现等离子体屏蔽。
  • 1928年,Langmuir发现等离子体震荡。
  • 1929年,首次提出Plasma。
  • 1985年,提出“国际热核聚变实验反应堆”(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)。

利用核能主要有两种方式:

  1. 中子轰击U235,链式反应;
    2。 氘氚反应,轻核聚变。使用聚变产生的中子轰击Li,实现氚增殖,自加热。

理论上由于库仑势垒,至少需要0.48MeV能量,但由于隧道效应,并不需要那么高的能量。

简单的环形磁场并不能约束等离子体,为了消除径向漂移的损失,需要环向和角向磁场,形成螺旋形磁场,称之为螺旋变换。

典型的装置有:

  1. 托卡马克;
  2. 仿星器。

其中托卡马克的数学依据是由Poincaré提出的:偶数维单位球上的连续而又处处不为零的切向量场是不存在的(毛球定理)。

产生巨变反应的要求是:温度(T),密度(粒子数n)和约束性质(维持高温和粒子数,能量约束时间TE),聚变三重积,点火时间:n·T·TE。

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Modern Physics Seminar(3)

上周因为主讲人出差,鸽了一周。本周听了两个数学科学学院的讲座,分别是由有关现代偏微分方程和微分几何的。


现代偏微分方程,主要介绍了方程的来历,包括显示、计算和理论证明的研究方法。根据解方程结构的不同,又可以分为椭圆方程、抛物方程和双曲方程。


基本的方程有Laplace方程、热传导方程、波动方程、Navier-Stokes方程、爱因斯坦方程、Monge-Ampère方程(超弦)等。

显示解需要方程的形式好,区域好,有良好的对称性。常用的方法有分离变量法,归结为常微分方程。虽然物理学家已经不加证明的试用了这些方程,而理论研究更关注存在性、唯一性、正则性(精度)、紧性等。

  • Dirichlet原理(1840’s)。
  • Hilbert Poincare证明存在解(1900’s)。
  • 在Sobolev空间找解(1930’s)。
  • Weierstrass反例指出,不一定存在经典解(1860’s)。
  • 原因是找解的空间太小了,要扩大空间,在Lebesgue可积函数空间(实变函数)找解,Schwartz 定义了弱导数(1940’s)。

泛函分析则是研究好的函数空间的性质。变分法与有限元有关,推动计算数学的发展。又使用物理上的概念,最小作用原理(能量最小)。这位老师本科也是物理出身,中途去读了数学的研究生,并一直从事数学工作。通过讲座,稍微解了一下现代微分方程的发展历史,具体内容还是不懂。


微分几何简介,中间有一部分很无趣,大多是定义,没有数学基础听的很痛苦,完全听不懂,都是各种概念和符号。不过理论数学还是强调了对存在性和唯一性的关注。

从Euclid几何原本开始讲起,发展到Fermat、Descartes 的解析几何,又到Gauss、Lobachevsky 。

基本的思想是,蚂蚁在纸面上是感受不到纸面弯曲的,就像人在地球上感受不到地面的弯曲。引入测地线的概念。

欧拉示性数是一个拓扑不变量,可以对进行拓扑分类。陈省身对纤维丛有奠基性的贡献,典型的有Möbiusband和Klein bottle。

陈类(Chern classes)和整数量子霍尔效应有关系。Yang–Mills理论是对Maxwell电磁场理论的推广。微分几何和现代理论物理有很强的联系,现代科学的发展也越来越需要多学科交叉融合。


然而我既不懂理论物理也不懂现代数学,这两次讲座真是听的头疼,只怪自己太弱了。

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Modern Physics Seminar(2)

BKT相变和超流。


超流(无粘滞系数)是基于量子效应的,但讲座从统计物理的角度出发。

BKT相变是2016年诺贝尔物理学奖的内容。

简单介绍了Ising模型(自旋仅取向上或向下)和XY模型(自旋角度连续变化)。

熵和能量竞争。

发生对称性破缺(spontaneous symmetry breaking),宏观上表现为粒子只能做出同样的一个选择。

这位老师讲课很有意思,说,物理学家描述一头牛,先描述一个球,再做近似,模型从简单的开始。常用的方法就是做一做平均(mean-field theory),泰勒展开,想想保留到第几项,再算一算。 然后展示了使用Monte Carlo 模拟的结果,和理论吻合的良好,并且在128*128(约1万多个)个粒子的时候,仿真结果就非常接近实际了,真是奇妙。标度不变性。

对于Wegner模型打了一个比方,99个人挤满睡在一个长的床上,要想再睡下一个人,只能每个人稍稍移动一点。当能量很小,不足以让粒子自旋发生变化的时候,粒子会稍稍偏转一个角度。称为自旋波的激发。Wegner忽略2π的周期性,并做Fourier变换,此时公式可以看做动量空间的理想气体。

不同的拓扑相很稳定,只能通过拓扑缺陷破坏,具有抗干扰性。又提到了温度T升高,化学式μ(T)降低,超流具有喷泉效应的现象。

在二维中,拓扑是涡旋,在三维中则是封闭的管子,或者管子的两端分别在端面上。


学术之外,老师分享了两个学生的故事,一个声称喜欢物理,但是做理论的时候想着实验,做实验的时候又想着组会之类,一件事都做不好。另一个学生是冲着科大的文凭而来,但踏踏实实做好手头的事,发了文章达到毕业的要求,并且最终也成了公司经理。

也提到了对于过去后悔是没有用的,他曾经月入1000欧元(当时汇率10),可惜没有在北上广买套房子,去南方高校寻找教职碰壁,被潘邀请加入科大,终成了科大的教授。 旨在告诉我们做好眼前的事,后悔过去是没有用的,盲目担心未来会打乱现在的节奏,做好眼前的事。

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Modern Physics Seminar(1)

在USTC选修了一门近代物理进展(Modern Physics Seminar)

对已经听过的4次讲座做一个简短的回顾和总结。因为没有完整的学过量子力学,听得比较吃力,了解了一些概念和目前的现状,知道了可以使用量子技术做哪些事情。把自己理解的一些记下来,欢迎指正。

第一讲比较通识,大体上介绍了量子力学的应用,标题是从《量子力学到量子信息》。 在量子世界,系统的态和演化是不确定的。介绍了EPR佯谬(Einstein, Podolsky, Rosen)(测了才知道)、Bell不等式(局域实在论是错误的;非局域性是量子世界最基本的特性)、量子纠缠(无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质)。

量子信息就是使用量子比特作为信息单元,量子比特具有不可克隆的特点。

  1. Shor算法可以有效的对进行大数分解,对目前广泛使用的密码体系(如RSA)的安全性造成威胁。使用量子密码,量子密钥传输,安全的生成密码本,QKD(Quantum Key Distribution)。
  2. 可以实现量子隐形传输。
  3. 量子计算的Qubit位数每年也符合摩尔定律在增长,比较有用的量子算法有Shor算法和Grove搜索算法。

量子计算的物理实现需要根据DiVincenzo判据,目前主要有量子阱、离子点、超导、集成光波导等。 接下去是线性光学的量子模拟。量子模拟与量子计算的区别是,不是通过数值求解,而是创造一个和已知物理系统相同条件的系统,并演化下去。通过制备量子态,系统演化后测量其物理量。费曼曾说过“If you want to make a simulation of nature, you’d better make it quantum mechanical ”。

线性光学系统的问题是难以引入Hamilton量,因此线性光学量子模拟实验通常只是态制备过程。而李的团队通过引入辅助量子比特做后选择解决了引入哈密顿量的问题,并完成了一系列的量子模拟实验。后面就听不懂了。

第二次讲了量子固态存储。 量子纠缠网络是对经典网络的拓展,构成要素包括量子节点和量子信道。量子节点又分为存储节点和操作节点。量子存储就主要应用于量子中继、量子网络和量子优盘。其中单光子偏振态的存储十分重要,因为光子是量子信息的载体,偏振的抗消相干能力强。

利用量子存储可以探索量子和经典的界限,EPR佯谬是量子力学vs局域实在论(多体系统的纠缠)→Bell不等式,薛定谔的猫是量子力学vs宏观实在论(单体系统的演化)→LG不等式。量子固态存储的展望是量子优盘,长达6小时的相干寿命,另一方面为量子网络打下基础。也可以用于验证量子力学和相对论。


主要使用金刚石NV色心实现来量子精密测量(量子传感)。

物理测量技术和科学技术发展互相促进。N次想干测量,量子精度为1/N(海森堡极限),经典N次重复独立测量的精度为1/√N。基于NV色心的量子传感可以用于温度、压力、磁场等。其中磁场强度、矢量和灵敏度测量为热点,相当于使用一个电子去测量磁场。

使用NV色心可以进行超分辨成像,突破传统衍射极限。因为亮点发出的光是有限长的波列,通过观察到的先后,来区分它们。对于同一个亮点,也可以分辨出是一个光子还是两个光子。结合传统的测量技术,将NV色心颗粒放在AFM针尖上对样品进行探测,或者将样品铺在NV色心块上,用CSD技术测量实现纳米尺寸的测量。


这个讲座时间比较短,内容与之前重复较多。

主要使用NV色心进行量子计算,当然最主要的NV色心的制备,NV色心体系也成为量子领域一个重要的原料,优点是室温下的超长相干时间,就像微电子领域的硅一样。

其中最后提到,低效率是一个明显的缺点,对应频率的光只占总能量的4%,而其他频率最好被抑制,因此在金刚石上做一个增强特定频率的光学腔可以提高效率。


这位老师比较年轻,令我最佩服的一点是本科有双学位,获得了物理学的理学学士和电子信息工程的工学学士。

简单介绍了基于量子技术的单分子磁共振谱学和成像。传统和核磁共振在医学上已经应用的很广泛了。针对目前核磁共振分辨率在10纳米左右的限制,发展纳米核磁共振。NV色心具有原子尺度(空间分辨率高),长相干时间、量子干涉、光学高效读出(高灵敏度),室温(适合地球环境)。 与今年诺贝尔生化学奖的冷冻电镜技术相比,量子技术可以实现生物单蛋白分子在细胞内的原未检测,是非破坏性的,不需要对样品冷冻、切片等处理。

其中提到一点研究和写论文的过程会有一点相反,读文章可能一开始没做出什么,慢慢调整变量得到一个好的结果。而做实验时,可能先做出一个最好的结果,研究清楚,然后再去补其他的数据。 最令我佩服的一点是,该实验室的实验平台是自己搭建的,并且自主开发了控制台系统(这个应该是电子系统),由于已有商用产品的水平。设备和技术都拥有自主知识产权。理工双全,真的是太强了。


本学期的最后一个讲座,以量子开始、以量子结尾。老师比较厉害,是潘团队做量子的骨干,但是讲的比较通俗易懂,大部分仅作了科普,然后做了一下量子通信、量子计算(量子模拟)方面的展望。


学术之外,李传锋老师介绍了他每年都会对他们组学生进行的“洗脑”,为了预防长期从事科研没有新想法产生,思想僵化。

其核心提到灵感来自另一个维度。物理的本质是逻辑&实证(现代自然科学都是如此)。

无:都允许、全部(无观念)
有:只有部分、排斥其他(有观念)

观念→智慧→理论→信息→知识,再到观念的往复。 一种观念,通过智慧的总结提出一个理论,进而成为一种信息,信息的推广和发展,成为一种固定的知识,最终成为根深蒂固的一种观念。 这样想来,脑子里的确已经装了很多成见,固有的观念。所以通过旧观念产生新理论的过程是需要承受力的,而这个过程就是看文献的过程。由A发现B,进而由A,B发现AB就是一种新的突破。

光具有波粒二象性,波动性和粒子性这两种属性即对立又互补,一个实验中具体展示哪种属性取决于实验装置,李传锋的实验装置使得测量装置处于探测波动性与探测粒子性的两种量子叠加态上,并在实验中观测到了光的波动态与粒子态的量子叠加状态,既不象普通的粒子态那样没有干涉条纹,也不象普通的波动态那样表现出标准的正弦形干涉条纹,而是展现出锯齿形条纹这样一种”非波非粒,亦波亦粒“的表现形式。真是太奇妙了。

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