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凝聚態(tài)物理學(xué)（當(dāng)今物理學(xué)的分支學(xué)科之一）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-22

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凝聚態(tài)物理學(xué)

當(dāng)今物理學(xué)的分支學(xué)科之一

凝聚態(tài)物理學(xué)（condensed matter physics）是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系，即通過研究構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)的電子、離子、原子及分子的運(yùn)動形態(tài)和規(guī)律，從而認(rèn)識其物理性質(zhì)的學(xué)科。一方面，它是固體物理學(xué)的向外延拓，使研究對象除固體物質(zhì)以外，還包括許多液態(tài)物質(zhì)，諸如液氦、熔鹽、液態(tài)金屬，以及液晶、乳膠與聚合物等，甚至某些特殊的氣態(tài)物質(zhì)，如經(jīng)玻色-愛因斯坦凝聚的玻色氣體和量子簡并的費(fèi)米氣體。另一方面，它也引入了新的概念體系，既有利于處理傳統(tǒng)固體物理遺留的許多疑難問題，也便于推廣應(yīng)用到一些比常規(guī)固體更加復(fù)雜的物質(zhì)。

從歷史來看，固體物理學(xué)創(chuàng)建于20世紀(jì)的30—40年代，而凝聚態(tài)物理學(xué)這一名稱最早出現(xiàn)于70年代，到了80—90年代，它逐漸取代了固體物理學(xué)作為學(xué)科名稱，或者將固體物理學(xué)理解為凝聚態(tài)物理學(xué)的同義詞。

基本信息

中文名	凝聚態(tài)物理學(xué)
外文名	condensed matter physics
研究對象	固體電子論，宏觀量子態(tài)
研究范圍	凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系
學(xué)科代碼	14050

學(xué)科介紹

凝聚態(tài)物理學(xué)是當(dāng)今物理學(xué)最大也是最重要的分支學(xué)科之一。其研究層次，從宏觀、介觀到微觀，進(jìn)一步從微觀層次統(tǒng)一認(rèn)識各種凝聚態(tài)物理現(xiàn)象；物質(zhì)維數(shù)從三維到低維和分?jǐn)?shù)維；結(jié)構(gòu)從周期到非周期和準(zhǔn)周期，完整到不完整和近完整；外界環(huán)境從常規(guī)條件到極端條件和多種極端條件交叉作用，等等，形成了比固體物理學(xué)更深刻更普遍的理論體系。經(jīng)過半個世紀(jì)多的發(fā)展，凝聚態(tài)物理學(xué)已成為物理學(xué)中最重要、最豐富和最活躍的學(xué)科，在諸如半導(dǎo)體、磁學(xué)、超導(dǎo)體等許多學(xué)科領(lǐng)域中的重大成就已在當(dāng)代高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中起關(guān)鍵性作用，為發(fā)展新材料、新器件和新工藝提供了科學(xué)基礎(chǔ)。前沿研究熱點(diǎn)層出不窮，新興交叉分支學(xué)科不斷出現(xiàn)是凝聚態(tài)物理學(xué)的一個重要特點(diǎn)；與生產(chǎn)實(shí)踐密切聯(lián)系是它的另一重要特點(diǎn)，許多研究課題經(jīng)常同時兼有基礎(chǔ)研究和開發(fā)應(yīng)用研究的性質(zhì)，研究成果可望迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

起源發(fā)展

凝聚態(tài)物理學(xué)起源于19世紀(jì)固體物理學(xué)和低溫物理學(xué)的發(fā)展。19世紀(jì)，人們對晶體的認(rèn)識逐漸深入。1840年法國物理學(xué)家A·布拉維導(dǎo)出了三維晶體的所有14種排列方式，即布拉維點(diǎn)陣。1912年，德國物理學(xué)家馮·勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體上的衍射，開創(chuàng)了固體物理學(xué)的新時代，從此，人們可以通過X射線的衍射條紋研究晶體的微觀結(jié)構(gòu)。

19世紀(jì)，英國著名物理學(xué)家法拉第在低溫下液化了大部分當(dāng)時已知的氣體。1908年，荷蘭物理學(xué)家H·昂內(nèi)斯將最后一種難以液化的氣體氦氣液化，創(chuàng)造了人造低溫的新紀(jì)錄－269 °C（4K），并且發(fā)現(xiàn)了金屬在低溫下的超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)具有廣闊的應(yīng)用前景，超導(dǎo)的理論和實(shí)驗(yàn)研究在20世紀(jì)獲得了長足進(jìn)展，臨界轉(zhuǎn)變溫度最高紀(jì)錄不斷刷新，超導(dǎo)研究已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理學(xué)中最熱門的領(lǐng)域之一。

現(xiàn)今凝聚態(tài)物理學(xué)面臨的主要問題高溫超導(dǎo)體的理論模型。

理論基礎(chǔ)

固體物理學(xué)的一個重要的理論基石為能帶理論，它是建立在單電子近似的基礎(chǔ)上的。而凝聚態(tài)物理學(xué)的概念體系則淵源于相變與臨界現(xiàn)象的理論，植根于相互作用多粒子理論，因而具有更加寬闊的視野：既關(guān)注處于相變點(diǎn)一側(cè)的有序相，也不忽視處于另一側(cè)的無序相，乃至于兩者之間臨界區(qū)域中體現(xiàn)標(biāo)度律與普適性的物理行為。

L.朗道于1937年針對二級相變提出了對稱破缺的重要概念，后來成為凝聚態(tài)物理學(xué)概念體系的主軸。在某一特定的物態(tài)之中，某一對稱元素的存在與否是不能模棱兩可的。當(dāng)原始相中某一對稱元素在變溫或變壓過程中突然喪失，就意味著發(fā)生了相變，出現(xiàn)了有序相。引入序參量用來定性和定量地描述有序相和原始相的偏離。一直降到零溫（0K），有序相達(dá)到基態(tài)，而非零溫的有序相處于激發(fā)態(tài)。而激發(fā)態(tài)有恢復(fù)破缺了的對稱性的傾向。低能激發(fā)態(tài)是非定域的，以波或準(zhǔn)粒子的形式出現(xiàn)，被稱為元激發(fā)的集合。非線性定域化的激發(fā)態(tài)則稱“讖緯”拓?fù)淙毕?。元激發(fā)與拓?fù)淙毕菥鶗Σ煌奈锢硇再|(zhì)產(chǎn)生影響。

物質(zhì)處在足夠高的溫度將呈現(xiàn)氣態(tài)，它是均勻且各向同性的，就統(tǒng)計意義而言，保持了完整的平移和旋轉(zhuǎn)對稱性，與統(tǒng)轄它的物理定律的對稱性相同。降溫會使氣體凝結(jié)成液體，雖則整體的對稱性仍然保持不變，但出現(xiàn)了短程序。再降溫又使液體凝固成為晶體，平移和旋轉(zhuǎn)的對稱性都發(fā)生破缺，剩下的對稱性屬230個空間群中的一個。固體豐富多彩的物性是和對稱破缺密切相關(guān)，而具有誘人興趣物性的液體也多半是液晶或復(fù)雜液體，也和某種對稱破缺有關(guān)。晶態(tài)中的元激發(fā)為晶格振動或聲子，是理解固體的熱學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵，晶態(tài)中的拓?fù)淙毕轂槲诲e，是理解固體的塑性與強(qiáng)度的關(guān)鍵。

研究內(nèi)容

凝聚態(tài)物理學(xué)的基本任務(wù)在于闡明微觀結(jié)構(gòu)與物性的關(guān)系，因而判斷構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)的某些類型微觀粒子的集體是否呈現(xiàn)量子特征（波粒二象性）是至關(guān)緊要的。電子質(zhì)量小，常溫下明顯地呈現(xiàn)量子特征；離子或原子則由于質(zhì)量較重，只有低溫下（約4K）的液氦或極低溫下（μK至nK）的堿金屬稀薄氣體，原子的量子特征才突出地表現(xiàn)出來。這也說明為何低溫條件對凝聚態(tài)物理學(xué)的研究十分重要。微觀粒子分為兩類：一類是費(fèi)米子，具有半整數(shù)的自旋，服從泡利不相容原理；另一類是玻色子，具有整數(shù)的自旋，同一能態(tài)容許任意數(shù)的粒子占據(jù)。這兩類粒子的物理行為判然有別。

固體電子論

對固體中電子行為的研究一直是固體物理學(xué)的核心問題。凝聚態(tài)物理學(xué)中情況依然如此。固體中電子的行為可按電子間相互作用的大小，分為三個區(qū)域。

①弱關(guān)聯(lián)區(qū)。基于電子受晶格上離子散射的能帶理論，為固體中電子行為提供了合適的理論框架，應(yīng)用于半導(dǎo)體和簡單金屬已取得非凡的成功，也構(gòu)成半導(dǎo)體物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。

②中等關(guān)聯(lián)區(qū)。包括一般金屬和強(qiáng)磁性物質(zhì)。朗道的費(fèi)米液體理論成功地描述了一般金屬以及低溫下He液體中的元激發(fā)及物理行為。W.科恩等發(fā)展的密度泛函理論則提供了高效計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料中電子結(jié)構(gòu)的理論框架。電子之間的交換相互作用（包括直接、間接、超交換、雙交換及巡游交換）導(dǎo)致了磁有序相（鐵磁體、反鐵磁體及更鐵磁體）的形成。有關(guān)磁有序相的激發(fā)態(tài)（磁振子與磁疇）又提供了理解其物理參數(shù)和磁化曲線的契機(jī)，構(gòu)成了鐵磁學(xué)的物理基礎(chǔ)。

③強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)。涉及電子濃度甚低的不良金屬。能帶理論建立不久，E.維格納就設(shè)想庫侖斥力使電子定域于維格納晶格上，接著N.莫脫認(rèn)為NiO這類氧化物是因關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的絕緣體，即莫脫絕緣體。20世紀(jì)60年代近藤對于稀磁合金中電阻極小現(xiàn)象作了理論解釋，稱為近藤效應(yīng)。80—90年代在一系列摻雜莫脫絕緣體中發(fā)現(xiàn)了奇異的物性，如銅氧化物中發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體、錳氧化物中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)等。另外，還在與近藤效應(yīng)有關(guān)的鑭系和錒系重電子合金中發(fā)現(xiàn)了多種有序相和反常的物性。對上述各類的強(qiáng)關(guān)聯(lián)物質(zhì)中的物性問題研究，尚未得到圓滿解決。

宏觀量子態(tài)

低溫物理學(xué)研究的重大成果在于發(fā)現(xiàn)了金屬與合金中的超導(dǎo)現(xiàn)象（電阻在T以下突降為零，磁通全部被斥，成為完全抗磁體）和液氦中的超流現(xiàn)象（黏滯系數(shù)在T以下突降為零）。這些宏觀量子態(tài)現(xiàn)象的出現(xiàn)是規(guī)范對稱性（波函數(shù)相位可為任意值）破缺的后果。早在1924年愛因斯坦就根據(jù)玻色-愛因斯坦統(tǒng)計提出了玻色-愛因斯坦凝聚的設(shè)想，即理想的玻色氣體在低溫下會出現(xiàn)基態(tài)為宏觀的粒子數(shù)所占。 He原子是玻色子，因而在 He超流發(fā)現(xiàn)之后，F(xiàn).倫敦就提出超流態(tài)是玻色–愛因斯坦凝聚的結(jié)果。而倫敦所提出的描述超導(dǎo)電動力學(xué)的倫敦方程實(shí)際上就蘊(yùn)含了宏觀量子態(tài)的概念。1952年V.京茨堡與L.朗道提出的唯象超導(dǎo)理論就明確地引入了類似于宏觀波函數(shù)的復(fù)序參量來描述超導(dǎo)態(tài)。1957年J.巴丁等提出了正確的超導(dǎo)微觀理論，即BCS理論，其關(guān)鍵在于一對電子在動量空間由于電子–聲子相互作用而形成庫珀對，從而使電子系統(tǒng)也具有某些類似于玻色子系統(tǒng)的特征。1972年在2.7mK以下發(fā)現(xiàn)了 He超流態(tài)， He原子也是費(fèi)米子，所以這也是費(fèi)米子配對的結(jié)果。從序參量的對稱性可以判斷配對態(tài)的特性：常規(guī)超導(dǎo)體是s波配對的自旋單態(tài)，高溫超導(dǎo)體是d波配對的自旋單態(tài)， He超流體是p波配對的自旋三態(tài)，具有磁性。還有一些疑似p波配對的非常規(guī)超導(dǎo)體，正在研究之中。非常規(guī)超導(dǎo)體的機(jī)制也尚待澄清。1995年E.科納爾等在將稀薄 Rb 氣體冷卻到極低溫（<μK）實(shí)現(xiàn)了玻色–愛因斯坦凝聚，這就將凝聚態(tài)物理學(xué)的研究領(lǐng)域擴(kuò)充到極低溫下的稀薄氣體。

納米結(jié)構(gòu)與介觀物理

由于對于一些簡單材料的物性已經(jīng)比較清楚，從20世紀(jì)中葉開始就致力于將不同的材料按特定的結(jié)構(gòu)尺度（關(guān)聯(lián)于物性的某一特征長度）來組織成材料與器件的復(fù)合體，從而獲得優(yōu)異的物理性能。如果所選的結(jié)構(gòu)尺度在納米范圍（1—100納米）之內(nèi)，即為納米結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)末這一領(lǐng)域引起學(xué)術(shù)界和社會上的廣泛重視。

量子力學(xué)認(rèn)為粒子可穿過納米尺度的勢壘而呈現(xiàn)隧道效應(yīng)。利用這一效應(yīng)可制備隧道結(jié)這類夾層結(jié)構(gòu)，諸如半導(dǎo)體隧道二極管、單電子超導(dǎo)隧道結(jié)、庫珀對超導(dǎo)隧道結(jié)。后者體現(xiàn)了約瑟夫森效應(yīng)已成為超導(dǎo)電子學(xué)的核心器件。利用與自旋相關(guān)的隧道效應(yīng)，則已制出具有隧道磁電阻的磁存儲器。

復(fù)合結(jié)構(gòu)若進(jìn)入電子費(fèi)米波長的范圍，就呈現(xiàn)量子限制效應(yīng)，導(dǎo)致了量子阱、量子線與量子點(diǎn)。半導(dǎo)體量子阱已用來制備快速晶體管和高效激光器。量子線的研究也卓有成效，納米碳管所揭示的豐富多彩的物性就是明證。量子點(diǎn)則可用以制備微腔激光器和單電子晶體管。利用鐵磁金屬與非磁金屬可制成磁量子阱，呈現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)，可用作存儲器的讀出磁頭。這些事例說明了納米電子學(xué)（包括自旋電子學(xué)）將成為固體電子學(xué)和光子學(xué)的發(fā)展主流。

納米結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)研究中也發(fā)揮了十分重要的作用：在兩維電子氣中發(fā)現(xiàn)了整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)以及維格納晶格，在一維導(dǎo)體中驗(yàn)證了盧廷格液體的理論，在一些人工納米結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了介觀量子輸運(yùn)現(xiàn)象。

軟物質(zhì)物理學(xué)

軟物質(zhì)又稱為復(fù)雜液體，是介于固體與液體之間的物相，液晶、乳膠、聚合物等均屬此類。軟物質(zhì)大都是有機(jī)物質(zhì)，雖然在原子尺度上是無序的，但在介觀尺度上則可能出現(xiàn)某種規(guī)則而有序的結(jié)構(gòu)。如液晶分子是桿狀的，盡管其質(zhì)心不具有位置序，但桿的取向卻可能是有序的。又如聚合物是由柔軟的長鏈分子所構(gòu)成，由于長程無序的關(guān)聯(lián)性，因而遵循了類似于臨界現(xiàn)象的標(biāo)度律。20世紀(jì)70—80年代液晶物理學(xué)和聚合物物理學(xué)的建立，使凝聚態(tài)物理學(xué)從傳統(tǒng)的硬物質(zhì)成功地延拓到軟物質(zhì)。軟物質(zhì)在微小的外界刺激（溫度、外場或外力）下有顯著的響應(yīng)是其物性的特征，從而產(chǎn)生明顯的實(shí)用效果。一顆紐扣電池可驅(qū)動液晶手表數(shù)年之久，就是證明。軟物質(zhì)變化過程中內(nèi)能變化甚微，熵的變化十分顯著，因而其組織結(jié)構(gòu)的變化主要由熵來驅(qū)動，和內(nèi)能驅(qū)動的硬物質(zhì)迥然有別。熵致有序和熵致形變乃是軟物質(zhì)自組裝的物理基礎(chǔ)。

有機(jī)物質(zhì)（小分子和聚合物）的電子結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)也受到廣泛的重視。有機(jī)發(fā)光器件和電子器件正在研制開發(fā)之中。

研究熱點(diǎn)

凝聚態(tài)物理學(xué)的研究熱點(diǎn)：①1984年發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶態(tài)；②1986年發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體YBaCuO（釔鋇銅氧化物）；③1984年建立納米科學(xué)；④1992年發(fā)現(xiàn)材料LaSrMnO的巨磁阻效應(yīng)；⑤2001年發(fā)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)材料MgB。

發(fā)展方向

凝聚態(tài)物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)，基本上已經(jīng)完備而成熟。但由于這里涉及大量（趨于10）微觀粒子的體系，而且研究對象進(jìn)一步復(fù)雜化，新結(jié)構(gòu)、新現(xiàn)象和新機(jī)制依然層出不窮，需要從實(shí)驗(yàn)、理論和計算上的探索，仍構(gòu)成對人類智力的強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。

凝聚態(tài)物理學(xué)和高新技術(shù)的發(fā)展關(guān)系密切。信息、材料和能源技術(shù)在21世紀(jì)所面臨的挑戰(zhàn)將給凝聚態(tài)物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供機(jī)遇。凝聚態(tài)物理學(xué)還在學(xué)科交叉中大有可為。隨著凝聚態(tài)物理學(xué)日益深入到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。它和化學(xué)之間的交叉滲透也愈來愈明顯，甚至學(xué)科間的分界線已趨于模糊。它和生物學(xué)之間的交叉滲透也日新月異，既有實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的相互支持，又有機(jī)制理論上的共同探索。

主干課程

開設(shè)的主要專業(yè)類課程包括：高等量子力學(xué)、高等固體物理、現(xiàn)代分析技術(shù)、材料制備與合成、半導(dǎo)體物理、金屬物理、超導(dǎo)物理、表面與薄膜物理、納米材料、凝聚態(tài)物理進(jìn)展等。

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