《低温物理与技术-教学内容和绪论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低温物理与技术-教学内容和绪论（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Contents,低温物理与实验技术,王智河,Tel: 83686402(O); 15850778252 E-mail: ,南京大学物理学院物理系 210093 金银街15号 唐仲英楼A210室,（ Low Temperature Physics and Experimental Techniques),低温楼,南京大学超导物理与材料研究中心,“南京大学超导物理和材料研究中心“于2011年6月3日在南京大学成立,本中心的研究方向： 1. 非常规超导物理和材料研究 2. 超导理论研究 3. 基于Jesephson结的的量子计算研究 4. 超导体混合态物理和磁通物质态性质研究 5. 谱学研究手段研
2、究超导机理问题： 角分辨光电子谱（ARPES），核磁共振（NMR），中子散射（neutron scattering）, 光电导谱（optical）, 时间分辨超快谱，界面超导电性等等。,负责人: 闻海虎教授 科技部973超导项目首席 成员: 王强华教授 李建新教授 于 扬教授 王智河教授 杨 欢教授 祝熙宇副教授 ,仪器设备,物性测量系统PPMS-169T,磁性测量系统SQUID-VSM-7T,光学浮熔区法单晶生长炉,不同充电电压下的磁场波形,脉冲磁体系统,脉冲磁体,电源系统,热烈欢迎新同学加入,第1章 温度测量与低温温度计（ 4学时 ） 1.1 温度和温标 1.2 温度测量 1.3 温度计
3、1.4 常用的低温温度计 1.4.1 电阻温度计 1.4.2 半导体温度计（RuO2薄膜等） 1.4.3 热电偶温度计 1.4.4 PN结温度计 1.4.5 其它温度计 1.5 温度计的选择、安装和使用 第2章 低温液体 （ 4学时 ） 2.1 液氮 2.2 液氢 2.3正常液体4He的性质 2.4 液体4He的超流相和喷泉现象 2.5 正常液体3He的性质 2.6 Landau费米液体理论 第3章 材料的低温物理性质（ 4学时 ） 3.1 力学性质 3.2 电磁性质,内 容 提 要,3.3 热传导 3.4 辐射传热 3.5 界面传热和卡皮查热阻 3.6 传热的计算 第4章 低温容器 （ 4学
4、时 ） 4.1 液氮容器 4.2 液氦容器 4.3 真空的获得和测量 4.4 真空系统的检漏 第5章 低温恒温器 （ 4学时 ） 5.1 高真空绝热恒温器 5.2 减压降温恒温器 5.3 电加热恒温器 5.4 连续流恒温器 5.5 其它恒温器 第6章 超低温技术（ 4学时 ） 6.1 He减压蒸发制冷 6.2 3He-4He稀释制冷 6.3 波麦兰丘克制冷 6.4 顺磁盐绝热去磁制冷 6.5 核去磁制冷,低温物理与实验技术,第7章 低温物性测量（ 4学时 ） 7.1 低温下导体的电阻及其测量 7.2 Kondo效应 7.3 CDW和SDW 7.4 固体的比热及其测量 7.5 固体的热导率及其测
5、量 7.6 高压下物性测量 第8章 超导电性 （ 2学时 ） 8.1 超导材料 8.2 超导基本性质 8.3 超导应用 第9章 重电子金属（ 4学时 ） 9.1 重电子金属及其组态 9.2 重费米子超导体 9.3 磁有序基态重费米子系统 9.4 非费米液体重费米子系统 9.5 其它类型重费米子系统 第10 章 超导量子干涉器件 （ 6学时 ） 10.1 正常电子隧道效应的应用 10.2 超导电子隧道 Josephson方程 10.3 d. c. Josephson效应 10.4 小结中超导宏观量子衍射现象 10.5 自场效应 10.6 acJosephson效应,10.7 微波幅照下超导结的I
6、V曲线 10.8 Josephson效应的等效电路 10.9 RSJ模型 10.10 超导量子干涉 双结超导量子干涉 10.11 超导隧道效应的应用 第11章 量子霍耳效应 （ 4学时 ） 11.1 霍耳效应 11.2 整数量子霍耳效应 11.3 分数量子霍耳效应 11.4 反常量子霍耳效应 第12章 强磁场下的物理现象（ 4学时 ） 10.1 金属中的局域磁矩 10.2 自旋玻璃的物理特性 10.3 费米面的检测 10.4 德哈斯-范阿尔芬效应 第13章 低温演示实验（ 2学时 ）（选） 参观低温制冷车间、观看课堂相关内容的低温演示实验。,教材：王智河编 低温物理与实验技术多媒体课件,参考书
7、： 1.低温物理实验的原理与方法阎守胜 陆果编著 科学出版社 1985 2.Experimental Techniques for Low-Temperature PhysicsG.K. White：Clarendon Press Oxford (2006) 3.Low-Temperature Physics Christian Enss and Siegfried Hunklinger: Springer (2005) 4. 低温物理学 曹烈兆等编著，中国科大出版社 1999年1月第1版,授课方式：课堂多媒体讲解+互动（20分钟） 成绩考核方式：平时成绩与命题考试相结合 （平时成绩占20，课
8、程论文40%, 期末考试成绩占40）,平时成绩(出勤等)20 课程论文(两篇)40% 期末考试(笔试 闭卷) 40%,课程论文: 设计一个低温试验或装置 低温物理研究的最新状况,凝聚态物理学（condensed matter physics）是从微观角度出发，研究由大量粒子（原子、分子、离子、电子）组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系的一门学科。凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓.,凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶等。,研究领域包括固体
9、物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理（包括薄膜物理、表面与界面物理和高分子物理）、液体物理、微结构物理（包括介观物理与原子簇）、缺陷与相变物理、纳米材料和准晶等。,低温物理学，又称低温学，是物理学的分支，研究物质在低温下的物理现象的学科，有时也包括低温的获得和它的测量技术。而低温物理学的低温定义为150C, 238F，123K或以下的温度。,凝聚态物质（固体、液体）在低温下的物理性质，物理现象，物理规律，量子效应等,低温物理研究的问题,主要内容： 低温下新的有序相 非常规超导体 重费米子超导体
10、、磁性超导体、 有机超导体、氧化物超导体 Mn氧化物巨磁电阻 重费米子 电荷密度波介观效应 磁场振荡效应 自旋玻璃,低温物理学史简介,超导和超流构成了低温物理的两大支柱，这两种奇异现象的发现都要归功于荷兰的科学家， H. K. Onnes。超导和超流都是在绝对零度（0K=-273.15 C）附近几十K范围內的物理现象（近年来发现的高温超导將这个范围提升到100K左右）。超导主要指某些材料在低温下能让电子完全自由地流动，从而形成无电阻的电流。而超流是指液氦在低温下会作完全无粘滯的流动。如果把液氦放在一个敞口的容器中，液氦会順着器璧自动爬升並溢出容器外。 上世纪初，以相对论和量子论为标志的近代物理
11、还在孕育之中，一些科学家根据物质有气、液、固三种状态的存在，努力將各种气体通过降低温度来液化乃至固化。1908年，Onnes以其独有的低温技术將氦气液化成功，氦的液化温度是4K。天然的氦气其原子核含有两个质子，两个中子，核外有两个电子，记为4He。氦的同位素，3He，比4He要少一个中子。4He的超流性质要在2.2K温度处才显示出来，而3He则要到2.7mK温度处才呈现超流性质。Leggett理论要解释的就是3He的超流性质。,超导，超流的发现均依賴于液氦的获得，Onnes可称得上低温物理之父。 Onnes液化氦气成功后，將各种金属浸在液氦里測量其电阻，他的助手在測量浸在液氦中的水银时，发现水
12、银完全无电阻。这个发现宣告了超导的诞生（1911年），Onnes为此获得1913年的诺贝尔奖。 Onnes或許还有一項“成就”值得一提，那就是在1901年，他沒有雇用来信求职的爱因斯坦做实验室助手，否则，爱因斯坦可能成为一个低温物理学家，而人类可能到现在都还沒有相对论。 与超导从发现，确认到頒奖的迅速过程相比，超流现象从初露端倪到确认如同一个极度难产的嬰儿，要历经长长的近三十年。1910年，Onnes他们在2.2K温度处发现了液氦密度有异常，但他们放过了这个异常，隨后就全力投入到新发现的超导现象的研究中。直到1922年，昂尼斯他们才从超导的研究中转回来重新研究这个异常。在这段时期里，由于超导现
13、象可能帶来的巨大经济利益，氦的液化技术是Onnes独家掌握，秘不外傳的。1923年，加拿大多伦多大学的Sir J. McLennan得以复制昂尼斯的氦液化器，从此加拿大亦进入低温物理研究領域。1934年，在英国主持蒙德实验室的苏联科学家P. Kapitsa，自行设计並制造了独特的氦液化器，长达二十多年的氦液化技术的垄断逐得以打破。,Kapitsa于1935年回苏联探訪时为斯大林所扣留，要他參加苏联的建设，此后Kapitsa一直在苏联工作。在确信Kapitsa不能再回到英国后，剑桥大学同意让苏联购买蒙德实验室的全套设备回苏联，除了那台Kapitsa设计制造的氦液化器。Kapitsa很快就在莫斯科
14、建立了低温实验室並重新造了一台氦液化器，开始了他的研究工作。1938年自然杂志的一月刊，登载了Kapitsa确认4He超流性质的文章，同期杂志亦登载了多伦多大学J. Allen与D. Misener的超流文章。至此，4He在2.2K温度以下的超流状态得以确认，Kapitsa于1978年获诺贝尔奖。 3He的超流性质要在2.7mK处才显示出来，这对低温技术要求极高。1972年，美国康乃尔大学的三位物理学家从实验上确认了3He的超流性质。1996年，他们三人， R. Richardson， D. Lee 和D. Osheroff获诺贝尔奖。 3He雖然是4He的同位素，但3He原子作集体運动时的統
15、计性质全然不同于4He，解释4He超流性质的理论不能用于解释3He。Leggett于1975年建立了成功地描述3He超流性质的理论，这个工作使Leggett获得今年的诺贝尔奖。,自1935年起回苏联工作的Kapitza是个优秀的实验物理学家，在苏联有着很大的影响力。Kapitza又聘到了极其优秀的理论物理学家，朗道（L. D. Landau），来负責理论部的科研，他倆的合作有力地推动着苏联的物理学发展。当朗道于1938年由于嚴重的政治問題被捕时，Kapitza冒着极大的風險上書，請求史达林留下朗道为国效力。朗道于1940年被释放后，一直在Kapitza的監護下工作，Kapitza是朗道政治行为
16、的擔保人。这种監護雖不公开，但朗道从此再也不能出国与同行交流。 朗道是一个全面的，傑出的理论物理学家，与他名字有關的物理学理论和概念在近代物理中隨处可見。然而，朗道也有失誤的时候。2003年的两位因超导而得诺贝尔奖的科学家，都与朗道有历史的淵源和糾葛。 Ginzburg一生只与朗道合作过一篇文章（1950），这篇文章建立了Ginzburg-Landau理论（GL equation），也就是今年Ginzburg得诺贝尔奖的工作。在这个理论中有两个參數，由这两个參數引出了朗道与Ginzburg及朗道与他的学生，Abrikosov，的故事。,GL理论中另一个參數叫Ginzburg-Landau參數，
17、用希臘字母表示。根据这个取值的不同，GL方程的解可以分为两类，以大于或小于根號二分之一标志。Ginzburg和朗道捨棄了大于根號二分之一的那个解，认为它所描繪的超导状态在物理上是不穩定的，只考慮小于根號二分之一的那个解。朗道的学生，Abrikosov在与其后（52-53年間）新得到的实验資料核对后发现，对有些超导体，以小为依据的理论結果与实验不符合，而用被京茨伯和朗道捨棄了的解则能与实验結果吻合。Abrikosov的进一步分析表明，如果結合磁通量子化，那麼大于根號二分之一的那个解的物理不穩定性實際上不存在。Abrikosov的結论是，对應大于根號二分之一的情況，超导体內会出现一个磁渦旋點陣，使超导區域和磁區域在一塊超导体內共存。这种会出现磁渦旋點陣的超导体被称为第II类超导体。 Abrikosov把这个想法告訴了朗道，但朗道的反應很冷淡，結果Abrikosov把这个研究工作放进了抽屜。朗道是当时世界上站在巔峰的几个物理学家之一，做朗道的学生，固然能有更多機会进入前沿研究領域，但是当学生与朗道在学术上有不同見解时，通常很难有勇气和信心堅持自己的意見。Abrikosov这个關于第二类超导体的傑出工作，直到1957年才有勇气單独发表。,
