0308056003《高等固体物理》教学大纲
| 课程编号 | 0308056003 | 课程中文名称 | 高等固体物理 | 学时 | 40 | ||||||
| 课程性质 | □√学位课 □非学位课 □其他 | 课程英文名称 | Advanced Solid State Physics | 学分 | 2 | ||||||
| 开课时间 | □√春 □秋 | 适用学科(类别) | 材料科学与工程 | 适用学生 | □√硕士 □√博士 | ||||||
| 先修课程 | 量子力学，固体物理，半导体物理 | ||||||||||
| 开课单位 | 材料与能源学院 | ||||||||||
| 大纲撰写人 | 李含冬 | 大纲审稿人 | 制(修)定时间 | 2019.06.10 | |||||||
本课程是普通固体物理学的深化和提高，以前沿材料的制备、物性与应用研究为引导，首先介绍性讲授高等固体物理学涉及到的重要研究主题与概念，从周期性结构的基本物理图像拓展至包含无序、尺度、维度、关联、相变，以及考虑波函数相位等更深刻复杂的情形后，处理相关固体物理问题的基本思路、采用的方法和重要理论。对于前沿热点将采用更深入的专题教学或互动研讨方式，引导学生在学习高等固体物理知识时从被动接受型向主动研究型转变，锻炼其自学调研课题的能力。通过本课程教学，使学生首先熟悉高等固体物理学各种理论框架与前沿分支的研究进展，进一步掌握高等固体物理学的微观研究语言，最终具备从凝聚态物理层面独立探索、理解材料科学与工程基础科学问题的能力。
第一章：基础与导论（6学时）
1 本章教学内容：
(1) 高等固体物理的研究对象与基本方法（2学时）
传统固体物理研究范式：周期性晶格中各种波的运动及典型处理方法；量子化学研究范式：几何位形、电子局域化、电荷密度集中和转移；凝聚态物理研究范式：元激发、序参数、对称破缺。
(2) 相变与临界现象（2学时）
相变的定义，Landau二级相变理论，重整化群方法。
(3) 元激发理论（2学时）
准粒子，等离激元，极化子，激子。
2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生理解从固体物理到高等固体物理研究范式的演进，掌握高等固体物理研究的理论途径与思路，熟悉一些重要的理论基础。
3 本章教学重点：（1）范式，（2）相变理论，（3）临界现象。
4 本章教学难点：（1）对研究范式的理解，（2）对元激发、序参数、对称破缺等凝聚态物理核心概念的理解。
第二章：无序（8学时）
1 本章教学内容：
(1) 无序的定义与类型（1学时）
(2) 无序系统的电子状态（2学时）
扩展态与局域态，态密度，Anderson局域化。
(3) 无序系统的电输运（3学时）
跳跃电导，迁移率边，弱局域化，Kondo效应。
(4) 无序固态材料（2学时）
非晶固体材料：非晶态半导体与金属的制备、结构、缺陷、光电性质以及应用。
2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生理解固体物理中处理无序系统的思路与相关理论，掌握典型无序半导体与金属材料的物性特点与应用实例。
3 本章教学重点：（1）无序系统的微观理论，（2）无序系统中电子的局域化。
4 本章教学难点：（1）定域的标度理论，（2）弱局域化。
第三章：尺度（8学时）
1 本章教学内容：
(1) 介观尺度下的固体物理（4学时）
介观体系的概念，AB效应，剩余电阻，非局域效应，普适电导涨落，介观体系的电导。
(2) 纳米体系（2学时）
纳米体系的基本物理效应与特性，电子能级的分立，尺寸效应，库伦阻塞。
(3) 团簇材料（2学时）
团簇的产生和探测，典型团簇材料介绍。
2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生理解介观尺度下的相干电输运的微观机理、量子力学处理方法以及固体尺度缩小至纳米范围时固体的特性，掌握介观物理主要概念及重要纳米器件输运模型。
3 本章教学重点：（1）介观体系中电子波的干涉，充分理解波函数相位的作用，（2）介观体系电导的推导（Landauer-Buttiker公式）。
第四章：维度（4学时）
1 本章教学内容：
(1) 半导体低维电子系统（2学时）
二维电子气，弹道输运，整数及分数量子霍尔效应，边缘通道。
(2) 二维体系中的相变（1学时）。
维度和长程序，K-T相变，拓扑序，二维晶格融化，公度相。
(3) 准一维导体（1学时）
Peierls相变，电荷密度波，自旋密度波。
2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生了解半导体低维电子系统输运及电子结构特性，理解二维体系的相变性质，掌握弹道输运，边缘态，拓扑及K-T相变，准一维导体中的元激发等基本概念。
3 本章教学重点：（1）量子霍尔效应及其微观物理图像，（2）K-T相变与拓扑相变。
第五章：关联（8学时）
1 本章教学内容：
(1) 单电子近似的理论基础（4学时）
凝胶模型，密度泛函理论，费米液体理论。
(2) Hubbard模型和强关联体系（2学时）
Hubbard模型，金属-绝缘体转变。
(3) 强关联体系实例（2学时）
高温超导体系，分数量子霍尔效应体系。
2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生理解单电子近似的物理基础，掌握处理相互作用费米子体系的唯象理论方法，以及Hubbard模型处理强关联体系的方法。
3 本章教学重点：（1）密度泛函理论，（2）Hubbard模型。
专题教学与研讨部分（6学时，选择3个主题）：
1. 扫描隧道显微学
内容：介绍扫描隧道显微学（STM）的基本原理，工作方式；了解Simmons 理论、Bardeen 公式、Tersoff－Hamann模型、STM的分子轨道理论、STM矩阵元法MBA）、STM非微扰理论；SPM的种类及应用。
2. 低维碳材料
内容：碳纳米管的结构、分类；碳纳米管的性质；碳纳米管的应用；石墨烯的结构、性质与应用。
3. 波色-爱因斯坦凝聚
4. 相变动力学与晶体生长
5. 拓扑量子材料与拓扑电子学等
讲授与自学结合。
1.课堂授课（讲授）：采用多媒体教学方式讲述为主。在固定章节基础教学内容之外，将根据教学进展与研究热点安排相关专题教学。
2.专题研讨（自学）：根据教学进展布置调研课题，以报告交流形式开展课内专题研讨并提交调研论文。
成绩评定的考核比例为：
（1）过程考核占50%，包括：
考勤：5%，课堂互动：5%，平时作业：10%，学术报告/课程论文：30%（评分标准：学术深度10%、论文质量10%、报告表现10%；评分方式：学生互评或教师单评）。
（2）期末考核（开卷）占50%。
教材：
[1]《固体物理基础》，阎守胜编著，北京大学出版社，2011年
参考书目：
[1]《凝聚态物理学》（上、下卷），冯端、金国钧著，高等教育出版社，2013年
[2]《固体理论》，李正中著，高等教育出版社，2002年
[3]《现代固体物理学导论》，阎守胜编著，北京大学出版社，2008年
[4]《Advanced Solid State Physics》, 2nd edition, Philip W. Phillips, Cambridge, 2012
[5]《Condensed Matter in a Nutshell》, Gerald D. Mahan, Princeton, 2011
[6]《Basic notions of condensed matter physics》, P. W. Anderson, Benjamin/Cummings, Menlo Park, 1984
[7]《Principles of condensed matter physics》, P. M. Chaikin & T. C. Lubensky, Cambridge, 1995
