用超导隧道结产生和接收声子的声子谱仪

本文叙述了用超导隧道结产生和接收声子的声子谱仪的工作原理及其测量电路.给出了用 Sn-I-Sn 声子发生器,Al-I-Al 声子检测器,硅单晶样品的声子谱仪的实验结果.     

关于高频声子的近期研究进展

近年来,关于固体中的高频声子(频率f>10¹¹Hz)的研究取得了较迅速的发展。其最重要的原因,是人们找到了几种有效的产生和检测高频声子的实验方法,即热脉冲方法,超导隧道结方法和光学方法。
1964年,Gutfeld和Nethercot第一次报道了他们在IBM实验室所做的热脉冲声子实验。他们用短的电脉冲加在康铜膜上,在传播介质中形成声子脉冲,在介质的另一表面上,用超导热辐射测量器来检测声子脉冲信号。稍后,西德的Rösch和Weis在理论上对热声子脉冲的发射谱和传播特性做了详尽的分析和计算,使热脉冲方法成为在低温下研究声子在固体中的行为的一种有力工具。在超导隧道结方法方面,1967年Eisenmenger和Dayem第一次把超导隧道结用于高频声子实验,他们用超导单电子隧道效应的弛豫过程和复合过程来产生和检测声子。在第一次实验中,他们用长度为1cm的蓝宝石作为传播介质,用Sn-SnO-Sn结作为产生器和检测器。以后,Kinder又用调制偏压的方法得到了准单色声子。1982年,Berberich等人用锡和铅的交流Josephson结产生了单色声子,其声子频率相应于Josephson频率。这种方法形成了一种新的高效率的、高频率分辨率的可调声子源。在光学方法方面,从1971年开始,Renk及其合作者在Regensburg大学开展了一系列的用光学方法产生和检测高频声子的工作,并用于声子的弛豫和自发衰变过程的研究。1975年,Weis和Grill第一次报道了他们用压电表面激励的方法,用远红外激光在压电晶体内激励高频相千声子的工作,引起了人们的广泛注意。之后,美国的Indiana大学的Bron,西德的Max-Planck固体所的Keilmann以及作者本人又相继开展了这一领域的工作。近十几年来,这样几种高频声子实验方法逐步完善,带来了这一领域的蓬勃兴旺。
在这篇文章里,将介绍近期、特别是近两、三年内,这一研究领域内进展情况的概观。这里着眼于某些高频声子的产生、传播和检测中的问题。对于在半导体、超导体、金属、多晶及非晶介质中的声子,以及它们与热声子、光子、电子、空穴、杂质和缺陷等微观结构的相互作用,则是一个更加广泛的课题,几乎涉及到凝聚态物理的每一个领域。这方面的工作,本文将不予讨论。可参看近年的几次国际声子物理会议的文集。     

拓扑声子晶体

拓扑物态是当前凝聚态及材料物理领域的关注焦点.声子晶体是具有周期性结构的人工材料,其中的声子态或声波态也可具有拓扑性质.从声子晶体的背景知识出发,介绍了2类拓扑声子晶体的研究进展,即能谷声子晶体和外尔声子晶体,它们具有良好鲁棒性及超导传输特性的拓扑界/表面波,这种无障碍的传输特性具有广阔的应用前景.     

多声子强耦合超导理论

本文提出了多声子过程的强耦合超导理论,给出了能隙方程和T_c公式。结果发现,考虑电子多声子过程,高频声子对提高T_c有重要作用,单胞中对超导贡献的简并度数大,也有利于高T_c的出现。 关键词：     

声子气的黏度

声子是介电固体中导热过程的主要载体,研究声子的黏性对正确预测纳米材料中的非傅里叶导热等现象有着重要意义.本文从热质理论出发,基于涨落耗散理论导出了声子气黏度的表达式:ηh=hv/3πλα,其中ηh表示声子气的黏度,v_a为声子平均频率,λ为声子波长,α为材料热扩散系数。预测了单晶硅在300 K时的声子气黏度,其参考值为4.8×10~(-9)Pa·s。并且与基于声子水动力学模型和气体动理论模型的声子气黏度结果进行比较,发现本文模型的结果比声子水动力学模型的结果大2个量级,而比动理论模型小5个量级。     

YBa2Cu3O7—δ超导体的声子—激子联合超导机理模型

本文从声子-激子联合机理模型出发,用推广的 Numbu-Eliashberg 强耦合超导微观理论计算了 YB_2Cu_3O_(6.9)超导体的临界温度 T_c 和氧同位素应 T_c～M_0~(-α_0)的位移系数α_0,结果与实验符合较好.     

高温超导体中的电-声子相互作用

1911年 ,卡末林·昂内斯在金属汞中发现了超导电性 .在之后的很长一段时间内 ,人们对其中的机理认识很少 .直到 195 7年 ,ＢＣＳ理论的发表才为超导电性奠定了理论基础 .传统理论认为 ,在转变温度Ｔｃ 以下 ,超导库珀对的密度随温度降低而不断增加 ,形成库珀对所需的电子 -电子吸引不是瞬时的和超距的 ,而是靠晶格振动的中介 (电子吸收或发射声子 ) .ＢＣＳ理论的实验验证实现于 2 0世纪 6 0年代 .俄罗斯物理学家Ｅｌｉａｓｈｂｅｒｇ以方程组的形式将电 -声子相互作用纳入ＢＣＳ理论 ,并对超导体的声子谱作出预言 .之后 ,ＭｃＭｉｌｌａｎ…     

声子

前言 声子(phonon)是固体物理和近代声学中的一个重要基本概念.但一般固体物理、统计物理和声学的教科书或参考书中,对这一概念的介绍非常简单,甚至有一些不妥的说法,如认为“声子就是晶格振动中的简谐振子.”[1]为了使大家对声子有一个准确而完整的概念,本文拟就声子的引入、声子的性质进行较为详细的讨论.一、声子概念的引入 声子的概念首先是在研究晶格振动时引入的[2].晶格振动是晶体中诸原子(离子)集体在作微振动,其结果表现为晶格中的格波. 由量子力学可知,用经典力学的物理量来描述微观粒子,只能在一定的近似程度内做到.当作为粒子处…     

基于超导HEB的太赫兹脉冲信号检测

本文利用超导氮化铌(NbN)热电子测辐射热计(HEB)结合自行开发的傅里叶变换光谱仪(FTS)来实现太赫兹(THz)脉冲信号的快速直接检测.该检测器采用易调控的微波来驱动超导NbNHEB芯片,使其偏置在直接检测的最佳工作点(测得的噪声等效功率为:8×10~(-12)W/(Hz)~(1/2)).通过与用同样灵敏度的商用低温半导体测辐射热计(Bolometer)测量到的THz量子级联激光器(QCL)辐射谱的结果进行比较,表明我们初步构建的基于超导NbNHEB直接检测器的系统已具有与商用Bolometer检测器同等的性能.     

Fe/Si薄膜中相干声学声子的光激发研究

本文通过抽运-探测技术, 利用飞秒激光脉冲激发并探测了Fe/Si薄膜中的高频相干声学声子. 通过经典的阻尼谐振函数, 对声学声子的动力学行为进行了拟合. 实验及拟合结果表明, 该声学声子的共振频率约为0.25 THz, 其退相时间约为12 ps, 且都与激发光的波长和能量密度无关. 声学声子的振幅随着激发光能量密度的增加而线性地增强. 临界参数12_τe-ph/T约为0.6, 表明相干声学声子的驱动力主要来源于电子热应力的贡献. 最后, 结合薄膜的厚度和质量密度, 可以得到室温下垂直于该Fe/Si薄膜表面(out of plane) 的弹性常数C_⊥约为283 GPa.     

铁基氟化物超导体SrFe_(1-x)Co_xAsF(x=0,0.125)声子特性的第一性原理计算研究

采用基于第一性原理的平面波赝势方法,计算了铁基氟化物及其钴掺杂超导体SrFe1-xCoxAsF(x=0,0.125)在四方非磁态与正交条纹反铁磁态下的声子谱(声子色散曲线、声子态密度)及电-声子耦合常数.计算发现:条纹反铁磁相互作用下的自旋-声子耦合效应强于电-声子耦合作用使声子谱的宽度减小;自旋效应使声子的有效质量增加导致条纹反铁磁态下Fe原子与As原子的耦合振动频率减小.另外,掺杂和自旋效应是提高电-声子耦合常数的两个有效方法,但计算所得超导转变温度远小于实验测量值,表明铁基超导电性非简单的电-声子耦合配对机理.     

声子角动量与手性声子

在经典的物理学理论中,声子广泛地被认为是线极化的、不具有角动量的.最近的理论研究发现,在具有自旋声子相互作用的磁性体系(时间反演对称性破缺)中,声子可以携带非零的角动量,在零温时声子除了具有零点能以外还带有零点角动量;非零的声子角动量将会修正通过爱因斯坦-德哈斯效应测量的回磁比.在非磁性材料中,总的声子角动量为零,但是在空间反演对称性破缺的六角晶格体系中,其倒格子空间的高对称点上声子具有角动量,并具有确定的手性;三重旋转对称操作给予声子量子化的赝角动量,赝角动量的守恒将决定电子谷间散射的选择定则;此外还理论预测了谷声子霍尔效应.     

固态金属中声子热传递的分子动力学模拟研究

固态金属中的热传递是声子和自由电子共同作用的结果。自由电子引起的热导率可以通过电导率,利用Wiedemann-Franz定律得到,声子引起的热导率目前仍然不能进行实验测量,只能借助其他方法来研究。本文采用非平衡分子动力学(NEMD)方法,用镶嵌原子方法(EAM)势能模型,模拟计算了不同厚度(1.760-10.56nm)金属镍薄膜中由于声子-声子作用引起的热导率。然后根据纳米厚度金属薄膜的热导率借助关联式推到宏观尺度下由于声子-声子作用引起的热导率。结果表明,对于纳米厚度金属薄膜,由于声子-声子作用引起的热导率比块体金属镍的热导率小一个数量级;薄膜厚度越小,声子-声子作用引起的热导率越小;对于块体金属镍,由于声子-声子作用引起的热导率约占其总热导率的33.0%左右。     

铋纳米薄膜相干光学声子研究

利用共轴双色飞秒激光泵浦-探测技术测量了铋(Bi)纳米薄膜的相干光学声子。采用自相关技术测量得到探测光的脉宽约为45 fs,用探测光和泵浦光的互相关信号得到泵浦光经过脉冲整形以后的脉宽约为250 fs,进而测量得到Bi纳米薄膜的对称振动模频率为2.86 THz,与自发Raman光谱的结果吻合。采用指数衰减函数与互相关信号的卷积拟合延迟时间在10 ps以内的差分反射信号,确定了相干光学声子振幅衰减的特征时间约为2.6 ps,与电子衰减特征时间相近,却远小于晶格加热的特征时间,从而为进一步揭示材料内部载流子与声子的相互作用提供了依据。     

MoP在高压下的电子,声子和电声耦合性质的第一性原理计算

使用第一性原理方法,研究了拓扑材料MoP在高压下的电子结构和晶格动力学行为.高压下MoP的晶体结构和费米面附近的电子能带相对稳定,但是声子能谱以及电声子耦合参数随着压强的增大有明显的变化.声子谱中高频光学支逐渐硬化,低频声学支中也有部分出现明显软化,体系的电声子耦合随压强的增大而逐步变强,导致超导转变温度从常压下的零提高到30 GPa时的0.16 K,最后在50 GPa时提高到1.21 K,与实验的变化趋势基本一致.研究揭示了高压下MoP中出现的超导现象主要是电声子耦合造成的,为理解实验观测到的拓扑超导共存现象提供了一定的理论支持.     

表面极化声子的喇曼散射研究

本文主要研究表面极化声子的喇曼散射.在探测表面极化声子的衰减全反射方法以及喇曼散射方法的基础上,借鉴了Kretchmann配置的衰减全反射喇曼散射法,提出了Otto配置的衰减全反射喇曼散射法,并以CaF_2单晶体为样品做了一系列实验.同时,本文利用了能量守恒及平行于样品表面的能量守恒关系,利用了格林函数或响应函数所推出的表面极化声子的一般频散关系,理论上给出了CaF_2-空气表面极化声子的一个唯象的频散关系.实验上用特定设计制做的一个样品架对CaF_2样品测定了它与空气界面上的表面极化声子的频散关系,比较结果,理论与实验取得了比较令人满意的一致.     

基于线缺陷声子晶体的声波导设计

在含缺陷的声子晶体中,缺陷模的声波能量被局限在缺陷处,据此设计了由花岗岩柱体按周期排列在空气中形成的二维线缺陷声子晶体型声波导.采用平面波展开法数值模拟了该模型的能带结构,确定最佳的排列形式以及缺陷能带的频率范围.测量了透过声子晶体的声压强,确定缺陷能带.实验结果证实线缺陷声子晶体对缺陷模具有明显的声波导作用.     

一维介观环中持续电流的电子-声子相互作用非经典效应

基于声子相干态功效和计及声子压缩态非经典效应,研究了电子-磁振子和电子-声子相互作用对一维介观环持续电流的影响. 与自由环比较,由于电子-磁振子相互作用,持续电流的振幅呈现指数减小. 对于正常态电子,电子-声子相互作用导致持续电流以Debye-Waller(D-W)因子衰减.但是计入跳步电子-单声子相干态关联效应导致系统本征态能量大幅度下降,从而持续电流I_n有大幅度增加.另一方面计入双声子相干态行为,由于声子压缩态效应压缩电子-相干(态)声子弹性散射行为,导致电子绕环运 关键词： 持续电流 电子-声子相互作用 声子相干态 声子压缩态效应     

拓扑声子与声子霍尔效应

拓扑学与物理的结合是近几十年物理学蓬勃发展的一个新领域,它不仅活跃在量子场理论以及高能物理中,更广泛地存在于凝聚态物理体系中,包括量子(反常、自旋)霍尔效应和拓扑绝缘体(超导体)等.声子是凝聚态体系中热输运的主要载体;最近由于各种声子器件的发现,声子学得到了广泛的关注.本文介绍了声子的拓扑性质以及声子的霍尔效应现象,分别评述了在破坏时间反演对称、破坏空间反演对称、以及同时破坏时间和空间反演对称三种情况下所产生的声子霍尔效应、声子谷霍尔效应等相关物理研究进展.最后对拓扑学在其他声学体系中的应用做了简单介绍,并进一步讨论了其未来的发展方向.     

表面和界面对声子谱的影响

运用线性系统的无穷级微扰论研究了表面和多层(AB)界面系统的声子态。结果表明,多层界面系统的声子谱发生软化或硬化(相对于原来的A或B系统)。这些软化或硬化效应可用来提高超导临界温度。