《固体物理学》作业05

提交时间:4月7日, 周2. 课前.

 

1. 短程和长程相互作用: 一维单原子链为例

考虑一维单原子链, 质量为M的原子等间距排列, 晶格势能有如下形式

(1)V=∑n∑m>012Km[u(na)−u(na+ma)]2

(a) 试证明晶格振动的色散关系为

(2)ω=2∑m=1∞KmMsin2⁡(mqa2).

(b) 对于短程的相互作用, ∑m>0m2Km收敛, 在长波极限有

(3)ω=a1M∑m>0m2Km|q|.

(c) 如果Km=m−p, 1<p<3, ∑m>0m2Km不收敛. 试证明长波极限有

(4)ω∝|q|(p−1)/2.

提示:

(5)∫0∞t−zsin2⁡tdt=−2z−2Γ(1−z)sin⁡(πz/2),如果1<Rez<3.

(d) 如果p=3, Km=K/m3. 令ω0=K/M. 试展示q→0时, ω的领头阶为

(6)ω=ω0−(aq)2log⁡|aq|.

注: log(z)为自然对数.

 

2. 简谐势系数和弹簧的劲度系数

(a) 在简谐近似下, 单原子晶体的势能展开形式为

(7)V=V0+12∑Rα,R′βVαβ(R−R′)uα(R)uβ(R′).

考虑一个单原子晶体, 所有原子间由弹簧连接, 连接位于R和R′的原子的弹簧劲度系数张量为K(R−R′), 所以晶体势能为

(8)V=V0+14∑Rα,R′β(uα(R)−uα(R′))Kαβ(R−R′)(uβ(R)−uβ(R′)).

由布拉维格子的空间反演对称有K(R−R′)=K(R′−R). 试证明

(9)Vαβ(R−R′)=∑R″Kαβ(R−R″)δRR′−Kαβ(R−R′).

(b) 试证明对于如上弹簧连接的单原子晶体, 下面的关系成立

(10)∫ω2g(ω)dω=nM∑R≠0∑αKαα(R),

其中n为原子密度, M为原子质量, g(ω)为声子的单位体积态密度.

 

3. 德拜-沃勒因子

考虑d维单原子立方晶体, 晶胞参数为a, 晶胞体积为ad. 晶体尺寸为Ld, 晶体中晶胞的数量为Nc=Ld/ad. 在简谐近似下, 只考虑关联中各向同性的贡献时德拜-沃勒因子为

(11)e−2W(Q)≈exp⁡(−Q2d⟨⟨uR⋅uR⟩⟩)

其中ℏQ为散射过程的转移动量, uR为处于格点R的原子位移,

(12)uR=1NcM∑qsℏ2ω(qs)(a(qs)+a(−qs)†)ϵ^(−qs)eiq⋅R,

记号同讲义.

(a) 用德拜模型, ℏω(qs)=γ|q|(s=1,⋯,d), 描述所有声子的色散关系. 请验证在T=0, 德拜-沃勒因子的指数部分可以写为

(13)2W(Q)=A(Q)Ωd(a2π)d−1∫δkDdkkd−2,

并给出无量纲系数A(Q)的表达式(Ωd为d维球面立体角). 上式中积分下限没有取零是因为q=0的平动模态对原子涨落没有贡献, 所以动量积分下界取(这称为红外截断)

(14)δ=2πL.

注意, 只需验证(13)式; (14)、(15)式不需证明. 因此, 一维晶体在倒格矢G处的德拜-沃勒因子为

(15)e−2W(G)=(kDL2π)−α→0,当L→∞,

其中α(G)>0是与A有关的量. 也就是说一维晶体在零温下由于量子涨落, 在衍射实验中不会产生有限强度的衍射信号.

(b) 对于d=2, 考察有限温度T>0. 对于长波声子q→0, 对玻色-爱因斯坦分布引入如下近似

(16)1eεks/kBT−1≈kBTγ|q|,

请验证由于热涨落, 二维晶体在任意有限温度(T>0)也不会发生衍射.