声子气的状态方程和声子气运动的守恒方程

根据爱因斯坦的狭义相对论中质能的等效关系，把固体(本文指非导体)晶格(原子)的质量分为晶格(原子)的静质量和晶格热振动能量的等效质量两个部分，后者就是固体中声子气的等效质量.晶格(原子)热振动的能量则分为晶格(原子)静质量具有的热能以及声子气质量具有的热能.基于固体的状态方程，导得了晶格静质量热振动的状态方程和声子气的状态方程.声子气在固体介质中的宏观运动就是热量在固体中的传递过程.建立了声子气运动的守恒方程组，分析表明，忽略惯性力时声子气的动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律，阐明了傅里叶导热定律的物理本质是声子气驱动力与阻力的平衡方程.当热流密度很大惯性力不能忽略时，傅里叶导热定律不再适用. 关键词： 非傅里叶导热 声子气 声子气质量 状态方程 守恒方程     

非晶态的声子谱

声子是与固体中原子的热振动相联系的一种量子,也称声量子.非晶固态材料(例如各种非品半导体、金属玻璃合金和无序合金)以及含有杂质、空位和缺陷的晶体的许多特性都与声子有密切联系. 一、热振动与声子谱 固体中的原子在它平衡位置附近一刻不停地振动,这就是原子的热振动.原子     

有限温度下腔光机械系统中N个二能级原子的相变和热力学性质

研究了含有非线性相互作用的腔机械系统中N个二能级原子在有限温度下的相变和相关的热力学性质,采用虚时路径积分方法推导出系统的配分函数,求得系统的有效作用量.通过对有效作用量进行变分得到系统的热力学平衡方程和原子布居数期待值的解析表达式,重点研究了原子-场耦合强度、非线性原子-光相互作用、非线性声子-光子相互作用等影响下系统的相变,发现除了会发生由正常相到超辐射相的二阶相变外,还会出现正常相和亚稳的超辐射态共存的现象,同时会发现三相(正常相、超辐射相、亚稳的超辐射态)共存点.有限温度的升高,会使正常相到超辐射相的二阶相变点向原子-场耦合强度增大的方向移动;当非线性原子-光相互作用(正或负)增强时,相变点会向原子-场耦合强度弱的方向移动;声子-光子相互作用会导致出现超辐射不稳定态;有限温度下,在正常相区熵为定值,而在超辐射相区熵随原子-场耦合强度的增强迅速递减为零.     

光致发光光谱研究金刚石光学中心的振动结构

金刚石中不同的缺陷中心具有不同的振动结构. 间隙原子相关中心在离开零声子线165 meV之外存在强且尖锐的局部振动模; 空位相关中心具有很强的振动耦合, 在其零声子线之后出现很强且宽的声子边带, 而在165 meV之外却观察不到局部振动模, 且对于仅涉及一个空位的缺陷来说, 其振动都与一个能量约为42 meV的声子或一个能量约为67 meV的声子或两声子有关.     

对高频声子的探测

晶体中的原子在其平衡点附近的摇晃会产生振动波,即声子．声子能在固体中传播声、热能和其他形式的能量,测量声子的性质可以提供有关晶体的结构以及原子间相互作用的各种信息．声子的性质一般是利用与光子的声一光相互作用来测定的．但当声波的波长小到只有原子间距的大小时,就很难利用声一光作用来探测声子了．因此,尽管有许多科学家都认为,在固体中已激发出了高频声子,但却无法用直接或间接的方法来精确地测定它们．     

着色KCl和KBr晶体色心的光谱特性及其零声子跃迁

详细研究了不同温度下着色ＫＣｌ晶体Ｒ２心和７５６．６ｎｍ零声子线以及着色ＫＢｒ晶体Ｒ２心零声子线的产生．利用恰当的热处理，可产生和增强零声子线，并给出了相应的物理解释．     

弱磁场中弱相互作用费米气体的有限粒子数效应(英文)

由弱磁场中弱相互作用费米气体的配分函数,导出有限粒子数条件下系统的配分函数G(β,N ).在此基础上,运用统计平均方法求解有限粒子数弱相互作用费米气体热力学量的解析表达式,给出各种温度条件下的热力学性质.研究结果表明,有限粒子数效应使各个热力学量都产生了一个修正项,除温度趋于0外,粒子数对化学势的修正项有直接影响,对内能和热容量的修正项并不产生直接影响.并且有限粒子数效应总是降低化学势,从而使化学势的0点向低温漂移,粒子数增大,会削弱这种效应,粒子间的相互排斥会加强这种效应.     

基于界面原子混合的材料导热性能

构造了界面具有原子混合的硅锗(Si/Ge)单界面和超晶格结构.采用非平衡分子动力学模拟研究了界面原子混合对于单界面和超晶格结构热导率的影响,重点研究了界面原子混合层数、环境温度、体系总长以及周期长度对不同晶格结构热导率的影响.结果表明:由于声子的“桥接”机制,2层和4层界面原子混合能提高单一界面和少周期数的超晶格的热导率,但是在多周期体系中,具有原子混合时的热导率要低于完美界面时的热导率;界面原子混合会破坏超晶格中声子的相干性输运,一定程度引起热导率降低;完美界面超晶格具有明显的温度效应,而具有原子混合的超晶格热导率对温度的敏感性较低.     

核子的部分子统计模型、EMC效应和核内核子中胶子分布函数

假定核子是部分子(夸克、胶子)组成的热力学系统,讨论了它的温度和化学势等热力学量,导出了核子中部分子的分数动量x分布与相应的统计分布间的关系式.通过将核子中胶子与黑体中光子的类比,计算了核子的有效温度.假定u、d夸克的化学势相同并取合理值,再利用重标度方案定出核内核子温度的改变后,统计模型很好地解释了EMC效应.认为胶子有小而负的化学势后,统计模型也较好地解释了虚光生J/ψ过程中束缚核子的与自由核子的胶子分布比值在小x处"过大"的问题.     

着色KC1和KBr晶体色心的光谱特性及其零声子跃迁

详细研究了不同温度下着色ＫＣｌ晶体Ｒ２心和７５６．６ｎｍ零子声线以及着色ＫＢｒ晶体Ｒ２心零声子线的产生。利用恰当的热处理，可产生和增强零声子线，并给出了相应的物理解释。     

一维互作用扭折-声子气体的统计理论

本文系统地研究并改进了位移型相变中一维互作用扭折-声子气体模型的统计理论。通过对扭折和声子的配分函数各自采用适当的路径积分表式并改进声子路径积分的计算方法,得到一个较合理且较普遍的巨配分函数表达式。在基态近似下,它可简化为一个与文献[6]相似的结果;在经典近似下,由它计算出的平均扭折密度与计算机模拟实验结果比文献上的符合得要好。     

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.     

纳米机械谐振器耦合量子比特非厄米哈密顿量诱导的声子阻塞

研究了纳米机械谐振器耦合量子比特系统中的声子阻塞现象.发现在弱驱动的条件下,非厄米哈密顿量的所有本征值都等于零时,出现了强声子反聚束现象.于是提出了零本征值方法来诱导声子阻塞.本文详细分析了此方法对声子阻塞的影响,给出了最佳条件并解释了背后的物理机理.不同于传统的声子阻塞和非传统的声子阻塞,不管是强非线性还是弱非线性,都可以实现声子的反聚束效应.     

微微秒时间间隔的晶格动力学

声学声子和光学声子的寿命以及寿命随温度、频率的变化影响固体的许多性质.例如,声学声子寿命对绝缘休、半导体和非晶固体的热输运性质的影响是极为重要的.光学声子的衰减动力学过程和光学声子与其它激发的耦合,对半导体的热电子输运,绝缘体中非平衡高频声学声子的产生等问题都起十分重要的作用.因此对声学及光学声子寿命的研究已成为固体物理中基本的和极感兴趣的课题. 高温下或在有短的平均自由程的材料中,声学声子激发的寿命通常是微微秒的范围.而频率为5—10THz的光学声子的寿命则是毫微微秒量级.最近两年,用微微秒与毫微微秒激光脉冲…     

三明治结构graphene-2Li-graphene的储氢性能

本文使用密度泛函理论中的广义梯度近似对扩展三明治结构graphene-2Li-graphene的几何结构、电子性质和储氢性能进行计算研究.计算得知:位于单层石墨烯中六元环面心位上方的单个Li原子与基底之间的结合能最大(1.19 eV),但小于固体Li的实验内聚能(1.63 eV),然而,在双层石墨烯之间的单个Li原子与基底的结合能增加到3.41 eV,远大于固体Li的实验内聚能,因此位于双层石墨烯之间的多个Li原子不会成簇,有利于进一步储氢.扩展三明治结构graphene-2Li-graphene中每个Li原子最多可以吸附3个H_2分子,储氢密度高达10.20 wt.%,超过美国能源部制定的5.5 wt.%的目标.该体系对1—3个H_2分子的平均吸附能分别为0.37,0.17和0.12 eV,介于物理吸附和化学吸附(0.1—0.8 eV)之间,因此该体系可以实现常温常压下对H_2的可逆吸附.通过对态密度分析可知,每个Li原子主要通过电场极化作用吸附多个H_2分子.动力学和巨配分函数计算表明graphene-2Li-graphene结构对H_2分子具有良好的可逆吸附性能.该研究可以为开发良好的储氢材料提供一个好的研究思路,为实验工作提供理论依据.     

单模光腔中N个二能级原子系统的有限温度特性和相变

本文研究单模光场中N个二能级原子Dicke模型的有限温度特性和相变. 把原子赝自旋转换为双模费米算符, 用虚时路径积分方法推导出系统的配分函数, 对作用量变分求极值得到系统的热力学平衡方程, 及原子布居数期待值和平均光子数随原子-光场耦合强度变化的解析表达式. 重点研究了在量子涨落起主导作用的低温区, 由耦合强度变化产生的从正常相到超辐射相的相变, 指出该相变遵从Landau连续相变理论, 平均光子数可作为序参数, 零值表示正常相, 大于零则为超辐射相. 在零温极限下本文的结果和量子相变理论完全符合. 另外, 本文也讨论了系统的热力学性质, 比较有限温度相变和量子相变的异同. 发现, 在强耦合区低温稳定态的光子数和平均能量都和绝对零度的值趋于一致, 而超辐射相的熵则随耦合强度的增强迅速衰减为零.     

利用石墨烯等离激元与表面声子耦合增强量子摩擦

详细研究了以Si C为基底的石墨烯之间量子摩擦.由于Si C可以支持表面声子极化子,石墨烯可以支持表面等离激元,在一定的频率范围,表面声子极化子和等离激元能够耦合.发现相对于单纯石墨烯或Si C来说,由于表面声子极化子与石墨烯等离激元的共同作用,以Si C为基底的石墨烯之间的量子摩擦有很大的增强.此外,我们发现量子摩擦系数随石墨烯化学势的增加先增加后减小,摩擦系数可以取得最大值.本文的研究对于微/纳机电系统的制作具有积极的意义.     

通过光子与横向光频支声子直接耦合产生超声

详细地讨论了通过光子与横向光频支（TO）声子直接耦合产生高频超声问题。着重研究如下的原则性的实验方案：在构成共振腔主体的离子晶体中掺入某种活化原子（犹如固体激光器中受到抽运的杂质原子）,其受激辐射的光能用于激发TO声子,从而获得超声振动向腔外的输出。分析的结果说明,为保证运行的稳定性,体现在声子与光子的非线性耦会以及声子间耦合的晶格振动非简谐性是必要的。对这种光一声装置的工作物质的探索,将关系到对离子晶体晶格动力学上的非线性及有关电磁耦合特性的深入研究     

倒装芯片上金属布线/凸点互连结构中原子的定向扩散

采用倒装芯片互连凸点串联回路研究了高温、高电流密度条件下倒装芯片上金属布线/凸点互连结构中原子的定向扩散现象,分析了互连结构中受电应力和化学势梯度作用的各相金属原子的扩散行为.在电迁移主导作用下,Ni(V)镀层中的Ni原子的快速扩散导致原本较为稳定的Ni(V)扩散阻挡层发生快速的界面反应,造成Al互连金属与焊料的直接接触.Al原子在电子风力作用下沿电子流方向向下迁移造成窗口附近焊料中Al原子含量逐步上升,同时,空位的反向迁移、聚集形成过饱和,导致Al互连中形成大面积空洞.焊料中的Sn,Pb原子在化学势梯度 关键词： 倒装芯片 凸点 电迁移 扩散     

三元硅化物CaAlSi的电-声子耦合和超导电性研究

应用全势线性缀加平面波方法计算新超导体CaAlSi的电子能带结构,用带心冻结声子法计算了声子频率及电声子耦合常数,并讨论了它们的超导电性.考虑到Al,Si原子分布的无序性和完全等价性,我们采用了双层超格子原胞模型,并考虑了低频B1g1声子频率的非谐性效应.由此计算得到稳定的低频B1g1声子频率为110cm-1,对超导电性有较大的贡献的Cad态电子与B1g1振动模式间的电声子耦合常数为0.37.我们的结果与用虚晶近似的结果是一致的.并证明CaAlSi的超导电性可由中等耦合的BCS理论来解释.