Lý thuyết chất rắn Đ A I H Ó C Q U Ố C G I A H Ả N Ô I PGS TSKH NGUYỄN VĂN HÙNG L Ý T H U Y Ế T C H Ấ T R Ắ N In l ẩ n t h ứ ha i N H À X U Ấ T B Ả N Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G I A H Ả N Ộ I 2000 L Ò I N Ó[.]
ĐAI H Ó C Q U Ố C G I A H Ả NÔI PGS.TSKH NGUYỄN VĂN HÙNG L Ý T H U Y Ế T C H Ấ T R Ắ N In l ẩ n t h ứ h a i N H À X U Ấ T B Ả N Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G I A H Ả N Ộ I - 2000 LỊI N Ĩ I ĐẦU V i ệ c n g h i ê n c ứ u khoa học n ó i c h u n g v v ậ t lý n ó i r i ê n g l i thực h i ệ n v ề lý t h u y ế t l ẫ n thực n g h i ệ m Lý t h u y ế t khe n h ữ n g t i ê n đ o n c c h i ệ n t ợ n g khoa học m sở đ ể Ễ t h í c h k ế t q u ả t h ự c n g h i ệ m v t r ú t r a t h ô n g s ố ( t h i ế t cho khoa học, k ỹ t h u ậ t C h í n h v ậ y việc n g h i ê n c ứ u v ( t o v ề lý t h u y ế t t r o n g v ậ t lý l u ô n g i ữ v a i t r ò r ấ t q u a n t r ọ V ậ t lý c h ấ t r ắ n l m ộ t l ĩ n h vực r ộ n g l n n h ằ m n g h i ê n c ứ u đ ể h b i ế t v sử d ụ n g v ậ t c h ấ t v o p h t t r i ể n t h ế giới v n â n g cao C1 sống n g ò i Cuốn Lý thuyết chất rắn n y v i ế t dựa t r ê n gií c h u y ê n đ ề l ĩ n h vực t r ê n tác già (PGS T S K H N g u y ễ n V ă n H ù cho s i n h v i ê n n ă m c u ố i , c c học v i ê n cao học v n g h i ê n c ứ u si thuộc n g n h V ậ t lý lý t h u y ế t , khoa V ậ t lý, t r n g Đ i học K I học t ự n h i ê n , Đ i học Quốc gia H N ộ i T r o n g đó, t c g i ả đ ã dụng tài l i ệ u k i n h điển đại, củng n h ; q u ả n g h i ê n c ứ u m i t r o n g l ĩ n h vực n y (xem t i l i ệ u t h a m k h í Các p h n g p h p cổ đ i ể n , lượng t v lượng t h ó a t h ứ cấp đ ã sử d ụ n g m ộ t c c h t h í c h hợp đ ể d ẫ n g i ả i n ộ i d u n g khoa ] t r o n g c h n g , mục C u ố n s c h n h ằ m t r a n g bị cho n g i ] n h ữ n g k i ế n t h ứ c b ả n , n h ữ n g c n g cụ t í n h t o n , n h ữ n g p h ú c p h p q u a n t r ọ n g , c ũ n g n h t i ế p c ậ n n h ữ n g v ấ n đ ề h i ệ n đ i t h u y ế t c h ấ t r ắ n C ù n g v i m ộ t s ố giáo t r ì n h k h c n ó g i ú p n g học có t r ì n h độ c ầ n t h i ế t đ ể h o n t h n h l u ậ n n cử n h â n , t i sĩ v t i ế n sĩ c h u y ê n n g n h , c ũ n g n h t i ế p tục n g h i ê n c ứ u l ĩ n h vực t r ê n C u ố n s c h bao g m p h ầ n v i c h n g c h í n h v m ộ t chưc p h ụ , chia r a 99 t i ế t (xem mục lục) P h ầ n A g m chươ: p h â n r a 20 t i ế t , t r ì n h b ầ y v ề c ấ u t r ú c m n g v i c c t í n h cl đ ố i x ứ n g v c c dao đ ộ n g m n g hay phonon k h i c h ú n g lúc t h ó a P h ầ n B g m c h n g , p h â n r a 31 t i ế t , t r ì n h b ầ y F e r m i o n n h đ i ệ n t t r o n g v ậ t r ắ n v l ỗ t r ố n g t r o n g ì d ẫ n , h m t r n g t h i v c ấ u t r ú c v ù n g n ă n g lượng, p h â n c h ú n g , t n g t c c h ú n g với n h a u v v i phonon Tưc t c h i ệ u dụng (lực h ú t ) đ i ệ n t tạo s i ê u d ẫ n v i n h i ề u n i ệ u ứng quan trọng xem xét P h ấ n c gồm c h n g , phan 33 t i ế t , t r ì n h bầy v ề t n g t c v ậ t r ắ n v i t r n g t ĩ n h trường động (photon) T đ y xét d ẫ n đ i ệ n d n n h i ệ t , t t í n h , t í n h chất quang: đồng t h i x â y d ự n g p h n g p h p xác định cấu t r ú c v ậ t r ắ n n h p h ổ quang đ i ệ n t cấu t r ú c t i n h t ế p h ổ hấp t h ụ ria X (XAFS) P h ầ n D g m Ì chương với 12 t i ế t , t r ì n h bầy v ề h ệ cấu t r ú c n a n ô , s i ê u m n g v h i ệ u ứng v ậ t lý c h ú n g C h n g p h ụ với t i ế t t r ì n h bầy d i ê m c h í n h p h n g p h p lượng t h ó a t h ứ cấp t r o n g lý t h u y ế t c h t r ă n , m sử d ụ n g số p h ầ n giáo t r ì n h Ngồi ra, h ằ n g số v ậ t lý b ả n v b ả n g t u ầ n h o n n g u y ê n tô với t h a m số quan t r ọ n g c ũ n g t r ì n h bầy Do khoa học n g y c n g giao l u quốc t ế r ộ n g r ã i , đồng t h i đ ể g i ú p n g i đọc t h a m khảo t i l i ệ u nước n g o i , p h ầ n mục lục đ ã dịch r a t i ế n g A n h v ghi l i cuối s c h C h n g t r ì n h n y g i ả n g dạy sau k h i s i n h v i ê n đ ã học giáo t r ì n h b ả n v ậ t lý lý t h u y ế t v t o n học n h học lý thuyết, đ i ệ n động lực học, v ậ t lý t h ố n g k ê , học lượng t , đ i số, p h n g t r ì n h v i p h â n v p h n g t r ì n h t o n lý T i l i ệ u n y c ũ n g có t h ể hữu ích đ ố i với n h ữ n g n g i g i ả n g dạy v n g h i ê n c ứ u v ậ t lý chất r ắ n liên quan đ ế n n h ữ n g v ấ n đ ề đ ề cập Dù r ấ t cố g ắ n g n h n g s c h bao g m n h ữ n g v ấ n đề c h í n h m t c g i ả cho quan t r ọ n g , c h a t r ì n h b ầ y h ế t t h n h t ự u lý t h u y ế t chất r ắ n m h i ệ n đ a n g p h t t r i ể n m n h Chắc r ằ n g n ó cịn có n h ữ n g đ i ề u c h a thỏa m ã n T c g i ả c h â n t h n h cảm ơn góp ý b n đọc bổ sung cho t i l i ệ u n y ngày hoàn t h i ệ n h n Tác g i ả c h â n t h n h c ả m ơn GS TS N g u y ễ n H ữ u T ă n g TS N g u y ê n X u â n H ã n , PGS PTS N g u y ễ n Quang B u , PGS PTS Bạch T h n h Công, GS PTS N g u y ễ n V ă n Thỏa v đồng n g h i ệ p thuộc Bộ môn V ậ t lý lý t h u y ế t , Khoa V ậ t lý, T r n g Đ i học Khoa học t ự n h i ê n , Đ i học Quốc gia H N ộ i v ề n h ữ n g góp ý khoa học n h ủng hộ đ ố i với t c g i ả việc h o n t h n h t i l i ệ u Tác giả MỤC LỤC Lời nói đ ầ u Phần A C Ấ U T R Ú C VÀ D A O Đ Ộ N G M Ạ N G C Ủ A V Ậ T R A N Chương Ì : C ấ u t r ú c t í n h chất đ ố i x ứ n g v ậ t n §1.1 C ấ u t h n h v ậ t r ắ n v t h ế l i ê n k ế t c c n g u y ê n t §1.2 C c m n g B r a v a i s §1.3 V e c t m n g đ ả o §1.4 Đ ị n h lý B l o c h §1.5 V ù n g B r i l l o u i n §1.6 C c đ i ể u k i ệ n b i ê n t u ầ n h o n k h é p k í n B o m - K a r m a n Chương : Dao đ ộ n g m n g phonon §2.1 P h n g t r ì n h c h u y ể n đ ộ n g dao đ ộ n g m n g §2.2 D a o đ ộ n g m n g t r o n g h ệ m ộ t c h i ề u g m m ộ t l o i nguyên tử §2.3 D a o đ ộ n g m n g t r o n g h ệ m ộ t c h i ề u g m h a i l o i nguyên tử §2.4 D a o đ ộ n g m n g t h ự c - D a o đ ộ n g đ ị n h x ứ §2.5 P h n g p h p l u ậ n H a m i l t o n t r o n g g ầ n đ ú n g đ i ề u hịa Tọa độ c h u ẩ n §2.6 L ợ n g t h ó a c c dao đ ộ n g m n g P h o n o n §2.7 T o n t đ ộ c h u y ể n dịch m n g §2.8 C c t r n g t h i m ộ t p h o n o n §2.9 N h i ệ t d u n g m n g t i n h t h ể §2.10.Mật độ t r n g t h i § l i T n g t c phonon-phonon § H i ệ u ứ n g p h i đ i ề u h ò a v d ã n nở n h i ệ t §2.13.Trường hợp giới h n sóng dài đ ố i v i n h n h â m § T r n g h ợ p giói h n s ó n g d i đ ố i v i n h n h q u a n g \ Phần B C Á C F E R M I O N T R O N G V Ậ T RAN Chương : Các t r n g thái điện t cấu 115 trúc v ù n g n n g lượng 115 §3.1 C c đ i ệ n t t ự t r o n g v ậ t r ắ n 115 §3.2 N h i ễ u x c ủ a c c đ i ệ n t h ó a t r ị 121 §3.3 M h ì n h đ i ệ n t g ầ n t ự 128 §3.4 M h ì n h đ i ệ n t l i ê n k ế t m n h , L C A O , h m W a n n i e r 131 §3.5 M h ì n h s ó n g p h a n g t r ự c giao 139 §3.6 M h ì n h s ó n g p h ả n g l i ê n k ế t 143 §3.7 P h n g p h p g i ả t h ế m h ì n h 146 §3.8 P h â n l o i v ậ t r ắ n theo c ấ u t r ú c v ù n g n ă n g l ợ n g 149 §3.9 C ặ p đ i ệ n t - l ỗ t r ố n g , c c t r n g t h i t p c h ấ t v Exciton b n d ẫ n 154 §3.10.Phương p h p k p phướng p h p k h ố i lượng hiệu dụng Chương : Khí Fermi vật rắn 158 167 §4.1 T h ố n g k ê F e r m i đ ố i v ó i c c đ i ệ n t 167 §4.2 T h ố n g k ê c c h t t ả i đ i ệ n t í c h t r o n g b n d ẫ n 172 §4.3 Đ ó n g g ó p đ i ệ n t v o n h i ệ t d u n g v ậ t r ắ n 176 §4.4 N h i ễ u x c ủ a đ i ệ n t t r o n g t i n h t h ể lý t n g 179 §4.5 N h i ễ u x đ i ệ n t t r o n g t i n h t h ể có dao đ ộ n g m n g 182 §4.6 H ệ s ố D e b y e - W a l l e r 186 §4.7 C c đ i ệ n t t r ê n m ặ t t i n h t h ể 190 §4.8 T n g t c đ i ệ n t - đ i ệ n t v che c h ắ n t ĩ n h 192 §4.9 T n g t c đ i ệ n t - p h o n o n v p o l a r i t o n 197 § K í c h t h í c h t ậ p t h ể k h í đ i ệ n t P l a s m o n 204 Chương 212 ĩ Siêu dẫn §5.1 T n g t c h i ệ u d ụ n g (lực h ú t ) g i ữ a c c đ i ệ n t 212 §5.2 T r n g t h i l i ê n k ế t c ặ p đ i ệ n t C ặ p Cooper 217 §0.3 T r n g t h i b ả n c ủ a k h í đ i ệ n t s i ê u d ẫ n §5.4 C c t r n g t h i k í c h t h í c h v k h e n ă n g l ợ n g §0.5 Sự p h ụ t h u ộ c n h i ệ t đ ộ k h e n ă n g l ợ n g §0.6 D ị n g k h ô n g g i ả m t r o n g s i ê u d ẫ n §0.7 H i ệ u ứ n g M e i s s n e r §58 Đ ộ d i k é t hợp v t n g q u a n §0.9 L ợ n g t h ó a d ò n g t r o n g s i ê u d ẫ n §5.10.Siêu d ẫ n loại ì v siêu d ẫ n loại l i S ô l i S i ê u d ẫ n n h i ệ t đ ộ cao Phần c VẬT RẮN TRONG TRƯỜNG NGOÀI Chương : Vật rắn trường tĩnh, từ tính §6.1 Đ i ệ n t t ự t r o n g đ i ệ n t r n g §6.2 Đ i ệ n t t ự t r o n g t t r n g v c c mức L a n d a u §6.3 P h n g t r ì n h đ ộ n g B o l t z m a n i l §6.4 Đ ộ d ẫ n đ i ệ n v độ d ẫ n n h i ệ t §6.5 H i ệ u ứ n g H a n §6.6 Đ i ệ n t t r o n g t t r n g m n h Cộng h n g C y c l o t r o n §6.7 H i ệ n t ợ n g t h u ậ n t t r o n g v ậ t r ắ n §6.8 T r n g t h i s ắ t t t r o n g v ậ t r ắ n §6.9 T r n g t h i p h ả n s ắ t t t r o n g v ậ t r ắ n §6.10.Tưđng tác trao đ ổ i § l i S ó n g S p i n t r o n g c c v ậ t l i ệ u có t t í n h M a g n o n § Đ ó n g g ó p đ i ệ n t v o t í n h c h ấ t t v ậ t r ắ n Chương : T n g tác photon với vật r ắ n §7.1 L ý t h u y ế t vĩ m ô v ề t n g t c n h s n g v ố i vật thể §7.2 P h o t o n §7.3 T n g t c đ i ệ n t - ' p h o t o n đ ố i v i c h u y ể n dịch trực tiếp §7.4 T n g t c đ i ệ n t - p h o t o n đ ố i v i c h u y ể n dịch gián tiếp 338 §7.5 H ấ p t h ụ h a i t o n 344 §7.6 T n g t c c ủ a p h o t o n v i c c h t t ả i đ i ệ n t í c h t ự 347 §7.7 T n g t c c ủ a p h o t o n v ó i c c đ i ệ n t t ự t trường 351 §7.8 T n g t c p h o t o n - p h o n o n đ ố i v i h ấ p t h ụ m ộ t p h o n o n 355 §7.9 T n g t c p h o t o n - p h o n o n đ ố i v i h ấ p t h ụ 361 n h i ề u phonon §7 l O L i ê n k ế t p h o t o n v l ợ n g t p h â n cực P o l a r i t o n Chương 366 :M ộ t số p h n g p h p xác định cấu t r ú c vật rắn 371 §8.1 T i a X v x S y n c h r o t r o n 371 §8.2 P h ổ q u a n g đ i ệ n t 375 §8.3 C n g độ p h ổ q u a n g đ i ệ n t theo m h ì n h ba g i a i đ o n 378 §8.4 P h ổ X P S p h ụ t h u ộ c góc v m ậ t độ t r n g t h i p h a n g 383 §8.5 X A F S v i c c c ậ n h ấ p t h ụ k h c n h a u 386 §8.6 L ý t h u y ế t l ợ n g t v ề t n x t r o n g X A F S 392 §8.7 M ộ t s ố p h n g p h p g ầ n đ ú n g t r o n g lý t h u y ế t t n x 396 §8.8 L ý t h u y ế t X A F S v i t n x n h i ề u l ầ n t r o n g k h a i t r i ể n m ô m e n xung lượng 399 §8.9 L ý t h u y ế t X A F S t r o n g c c p h é p g ầ n đ ú n g 406 §8.10 C c h i ệ u ứ n g dao đ ộ n g n h i ệ t t r o n g lý t h u y ế t X A F S 410 § l i C c c u m u l a n t theo m h ì n h Einstein t n g q u a n 414 p h i đ i ề u Hòa Phần D V Ậ T LÝ H Ệ T H Ấ P C H I Ể U Chương ì C c c sở v ậ t lý c ủ a h ệ c ấ u t r ú c n a n 423 423 §9.1 M ộ t s ố k h i n i ệ m v ề h ệ c ấ u t r ú c n a n 423 §9.2 S ự g i a m n h ố t l ợ n g t 425 §9.3 C c h ố l ợ n g t đ a l p v p h â n l o i c h ú n g 41 §9.4 S ự g i a m n h ố t đ i ệ n t t r o n g h ố l ợ n g t 4Í §9.5 S ự g i a m n h ố t l ỗ t r ố n g t r o n g h ố l ợ n g t 4Í §9.6 Đ i ê n t , l ỗ t r ố n g t r o n g s i ê u m n g v v ù n g n ă n g lượng m í m 4