原子晶体的多体物理.pptx

原子晶体的多体物理,原子晶体中的电子结构 原子晶体的自旋和轨道耦合 原子晶体中激子的形成和性质 原子晶体中多体相关性的分类 原子晶体的超导性机制 原子晶体的磁性性质 原子晶体的拓扑特性 原子晶体的应用领域,Contents Page,目录页,原子晶体中的电子结构,原子晶体的多体物理,原子晶体中的电子结构,1.带隙是原子晶体中价带顶和导带底之间的能量差2.带隙的大小由晶体的组成、结构和键合性质决定3.带隙决定了晶体的绝缘性、半导体性或金属性原子晶体中的费米面,1.费米面是动量空间中能量等于费米能量的面的集合2.费米面的形状反映了晶体的晶体结构和电子填充3.费米面的拓扑性质决定了晶体的电子输运性质原子晶体中的带隙,原子晶体中的电子结构,原子晶体中的电荷密度波,1.电荷密度波是原子晶体中电子密度周期性调制的集体激发模式2.电荷密度波可以通过电子-声子相互作用触发3.电荷密度波可以导致超导性、铁磁性或反铁磁性等新型电子相原子晶体中的磁性,1.原子晶体可以表现出顺磁性、抗磁性、铁磁性和反铁磁性等磁性2.原子晶体中的磁性由轨道角动量和自旋角动量贡献3.外部磁场和杂质可以调控原子晶体中的磁性原子晶体中的电子结构,原子晶体中的超导性,1.超导性是一种电子在晶体中无耗散流动的现象。

2.传统超导体需要低温才能实现超导性，而高温超导体可以在较高温度下表现出超导性3.原子晶体中的超导性是通过电子-声子相互作用或其他非传统机制实现的原子晶体中的拓扑相,1.拓扑相是一种电子态，其性质由晶体的拓扑不变量决定，与局部扰动无关2.原子晶体中的拓扑相包括拓扑绝缘体、拓扑半金属和魏尔半金属3.拓扑相具有独特的电子输运和光学性质，有望用于新型电子器件原子晶体的自旋和轨道耦合,原子晶体的多体物理,原子晶体的自旋和轨道耦合,原子晶体的自旋和轨道耦合自旋轨道耦合的类型,1.自旋轨道相互作用（SOI）：自旋与动量之间的耦合，可通过磁场或其他方法实现2.拉施巴自旋轨道耦合：由结构反演对称性破坏引起的SOC类型，导致自旋分离和边缘态3.德哈恩-范列文自旋轨道耦合：由自旋分解的态的能量差异引起的SOC类型，可诱导拓扑绝缘体行为自旋轨道耦合的实验观测,1.磁阻测量：自旋轨道耦合可通过磁阻测量来检测，表现为自旋相关的电阻变化2.自旋霍尔效应：自旋轨道耦合可通过自旋霍尔效应来观察，其中纯自旋流在垂直于电场和自旋极化的方向上产生3.角度分辨光电子能谱学（ARPES）：ARPES可用于直接探测自旋轨道耦合，通过测量动量和能量分辨电子态的自旋极化来实现。

原子晶体的自旋和轨道耦合,自旋轨道耦合在原子晶体中的应用,1.自旋电子器件：自旋轨道耦合可用于设计自旋电子器件，如自旋滤波器和自旋阀2.拓扑绝缘体：自旋轨道耦合可在原子晶体中诱导拓扑绝缘体行为，具有独特的边缘态和量子反常霍尔效应3.量子计算：自旋轨道耦合可用于实现量子计算中的自旋量子位元，具有较长的相干时间和可控的自旋操控自旋轨道耦合的理论模型,1.紧束缚模型：紧束缚模型可用于计算原子晶体中的自旋轨道耦合，通过考虑原子态与动量之间的相互作用2.连续体模型：连续体模型可用于描述原子晶体中的长波长自旋轨道耦合，通过求解自旋轨道耦合方程3.第一性原理计算：第一性原理计算，如密度泛函理论（DFT），可用于从头算计算原子晶体中的自旋轨道耦合原子晶体的自旋和轨道耦合,自旋轨道耦合的调控,1.电场调控：电场可用于调控自旋轨道耦合，通过改变晶体的结构或能带结构2.磁场调控：磁场可用于调控自旋轨道耦合，通过施加洛伦兹力或改变自旋取向3.应变调控：应变可用于调控自旋轨道耦合，通过改变晶格常数或对称性自旋轨道耦合的前沿研究,1.自旋轨道耦合与其他相互作用的 interplay：探索自旋轨道耦合与其他相互作用，如超导性和磁性，的交互作用。

2.自旋轨道耦合在拓扑量子材料中的应用：研究自旋轨道耦合在拓扑量子材料中的作用，如拓扑半金属和外尔半金属原子晶体中激子的形成和性质,原子晶体的多体物理,原子晶体中激子的形成和性质,激子的形成和性质,1.原子晶体中激子的形成过程涉及电子与晶格振动的耦合，当电子吸收足够能量时，会被激发到导带，并在晶格的位势场中形成准粒子的激子2.激子的色散关系与晶体带结构密切相关，表现出准自由电子和晶格波动的特性激子的有效质量由电子-晶格耦合强度决定，随着波矢的增加而增大3.激子具有电中性，可以自由在晶体中传播，并且具有较长的寿命其寿命受晶格缺陷、杂质和温度等因素的影响激子的类型和性质,1.激子根据其自旋方向可以分为单重态激子和三重态激子，其中三重态激子具有较低的能量和较长的寿命2.激子可以根据其形成机制分为本征激子和杂质激子本征激子由电子与声子相互作用形成，而杂质激子则由电子与杂质原子相互作用形成3.激子与晶格缺陷和界面相互作用时，会导致激子的局域化和新的性质例如，激子在缺陷附近可以形成激子复合体原子晶体中激子的形成和性质,激子在光学中的作用,1.激子在光学吸收光谱中体现为窄线，被称为激子吸收峰激子吸收峰的位置和强度与晶体的带隙、激子的有效质量和寿命有关。

2.激子可以通过自发发射和受激发射过程产生光激子的自发发射过程称为激子辐射衰变，受激发射过程称为激子激光3.激子激元可以通过光学泵浦或电注入等方法产生，并且可以通过外部电场、磁场和光学场进行调制激子在自旋电子学中的应用,1.激子具有自旋自由度，可以作为自旋信息载体自旋极化的激子可以实现自旋极化电流的传输2.激子可以与其他自旋系统相互作用，例如自旋注入和自旋转换因此，激子可以用于自旋电子器件的开发3.激子的光学可调制性和电可调制性可以控制自旋信息载体的产生、传输和探测原子晶体中激子的形成和性质,激子在量子计算中的应用,1.激子具有量子纠缠特性，可以作为量子比特激子的量子态可以通过激光等光学手段进行操控2.激子可以实现量子纠缠态的远距离传输，并且具有较长的量子相干时间因此，激子有望用于构建量子计算机和量子通信网络3.激子与超导体系、拓扑绝缘体等其他量子系统相互作用，可以实现新的量子态和拓扑保护的激子态激子物理的前沿发展,1.二维原子晶体激子具有独特的性质，例如增强的光-物质相互作用、谷自由度和拓扑性质2.极性激子在光电转换、超快光学和非线性光学中具有广泛的应用前景3.激子腔极化子是激子与光学共振腔相互作用形成的准粒子，具有丰富的物理特性和器件应用。

原子晶体中多体相关性的分类,原子晶体的多体物理,原子晶体中多体相关性的分类,多体相关性的分类1.电子相关性,1.由于相互作用而导致电子的运动受限制，形成准粒子激发2.电子相互作用的强度决定了晶体的电导率和磁性等性质3.电子相关性可以通过自旋极化、电荷密度波和超导等现象体现2.声子相关性,1.声子是原子晶体中的准粒子，对应晶格振动2.声子相互作用会导致声子的软化和非线性特性3.声子相关性在热力学性质、超导和光学性质中发挥重要作用原子晶体中多体相关性的分类,3.自旋相关性,1.电子或核自旋之间的相互作用导致磁性序、自旋波和其他磁性现象2.自旋相关性强度受晶体场、电子相互作用和自旋轨道耦合的影响3.自旋相关性是自旋电子学和量子计算等领域的基石4.电子-声子相互作用,1.电子和声子之间的相互作用导致极化激元和电声效应等现象2.电子-声子相互作用在热导率、超导和光伏效应中起关键作用3.电子-声子相互作用可以通过调节晶格结构和电子结构来进行工程设计原子晶体中多体相关性的分类,5.电子-电子-声子相互作用,1.电子、电子和声子之间的相互作用导致超导、相变和光致激发等复杂现象2.电子-电子-声子相互作用的强度受温度、压力和缺陷等因素的影响。

3.理解电子-电子-声子相互作用对于设计新型功能材料和探索新物理机制至关重要6.其他相关性,1.除了上述主要相关性之外，原子晶体中还存在其他形式的相关性，例如磁畴、畴壁和晶界2.这些其他相关性可以导致各种有趣和有用的现象，例如磁畴结构、拓扑绝缘体和晶界电子学原子晶体的超导性机制,原子晶体的多体物理,原子晶体的超导性机制,库珀对形成机制,1.晶格振动的声子与电子相互作用，导致电子在费米面附近形成库珀对2.库珀对的形成与晶格的弹性常数和电子的有效质量有关3.在某些临界温度Tc以下，库珀对的结合能大于热涨落，导致超导态的形成电子-声子耦合,1.电子与声子的耦合强度由电子-声子相互作用矩阵元确定2.强电子-声子耦合有利于库珀对的形成和超导临界温度的提高3.对于原子晶体，电子-声子耦合通过晶格的变形势介导原子晶体的超导性机制,电子态密度,1.超导临界温度Tc与电子的态密度成反比2.高态密度的材料更有利于库珀对的形成3.在原子晶体中，态密度可以通过计算原子轨道重叠积分获得BCS理论,1.BCS理论描述了原子晶体超导性的微观机理2.该理论提出，库珀对是由于电子与晶格振动的相互作用而形成的3.BCS理论成功解释了超导体的许多特性，如能量间隙和临界温度。

原子晶体的超导性机制,同位素效应,1.同位素效应是指超导临界温度随晶格质量的变化而变化2.这表明电子-声子耦合在超导性中起着重要作用3.在原子晶体中，同位素效应可以通过改变晶格振动频率来研究非传统超导性,1.非传统超导性是指超导性由库珀对形成以外的其他机制引起的2.在原子晶体中，非传统超导性可能由磁性相互作用或电荷密度波介导原子晶体的磁性性质,原子晶体的多体物理,原子晶体的磁性性质,主题名称：磁性有序,1.原子晶体中磁性有序的起源：未成对价电子的磁矩相互作用产生交换作用2.磁性相变类型：铁磁性、反铁磁性和顺磁性，由交换作用的相对强度决定3.磁矩排列：在铁磁体中，所有磁矩平行排列；在反铁磁体中，相邻磁矩反平行排列；在顺磁体中，磁矩在磁场作用下平行排列主题名称：磁结构,1.磁畴和磁壁：在大的磁晶体中，磁矩自发形成磁畴，不同磁畴的磁矩方向不同，由磁壁分隔2.磁性各向异性：来自晶格结构或其他因素的能量约束，限制磁矩的取向原子晶体的拓扑特性,原子晶体的多体物理,原子晶体的拓扑特性,拓扑绝缘体,1.具有绝缘体内部和表面导电的拓扑序2.边界面导电态受到拓扑保护，对杂质和缺陷不敏感3.在自旋轨道耦合下，可实现自旋锁定的拓扑表面态。

拓扑超导体,1.在库珀对形成过程中具有奇偶校验的拓扑超导体2.表面出现马约拉纳费米子，具有非阿贝尔统计性质3.具有潜在的量子计算和拓扑量子比特应用原子晶体的拓扑特性,拓扑磁性体,1.具有拓扑序的磁性材料，表现为手征磁性2.磁矩排列受拓扑不变量约束，形成稳定的磁畴结构3.具有自旋轨道耦合和强关联下的拓扑相变拓扑半金属,1.具有交叉点或线节点的能带结构，形成狄拉克或外尔费米子2.表现出异常的电学和热学性质，如负磁阻和超高迁移率3.具有自旋和谷自由度的拓扑保护，在自旋电子学和量子计算中有应用潜力原子晶体的拓扑特性,拓扑光子晶体,1.具有拓扑序的光子晶体，表现为光子绝缘体内部的光子传输2.光子准粒子遵循费曼路径积分规则，实现拓扑保护下的光传输3.在光子学应用中具有拓扑激光器、拓扑光纤和拓扑光学器件等潜力拓扑量子相变,1.拓扑序之间的相变，涉及拓扑不变量的突变2.拓扑相变通常伴随着量子临界点，表现为奇异的物理性质原子晶体的应用领域,原子晶体的多体物理,原子晶体的应用领域,光电子器件：,1.原子晶体作为激光二极管和光电探测器中的增益介质，可实现低阈值、高功率、高效率的激光输出和灵敏的光电检测2.原子晶体的非线性光学性质使它们成为光参量放大器、频率转换器和光调制器等光学器件的理想材料，用于光通信、光计算和光学成像等领域。

3.原子晶体的电光效应和压电效应可用。