凝聚態物理學

凝聚態物理學（condensed matter physics）是研究凝聚態物質的物理性質與微觀結構以及它們之間的關係，即通過研究構成凝聚態物質的電子、離子、原子及分子的運動形態和規律，從而認識其物理性質的學科。一方面，它是固體物理學的向外延拓，使研究對象除固體物質以外，還包括許多液態物質，諸如液氦、熔鹽、液態金屬，以及液晶、乳膠與聚合物 等，甚至某些特殊的氣態物質，如經玻色-愛因斯坦凝聚的玻色氣體和量子簡併的費米氣體。另一方面，它也引入了新的概念體系，既有利於處理傳統固體物理遺留的許多疑難問題，也便於推廣套用到一些比常規固體更加複雜的物質。從歷史來看，固體物理學創建於20世紀的30—40年代，而凝聚態物理學這一名稱最早出現於70年代，到了80—90年代，它逐漸取代了固體物理學作為學科名稱，或者將固體物理學理解為凝聚態物理學的同義詞。

基本介紹

• 中文名：凝聚態物理學
• 外文名：condensed matter physics
• 特徵：凝聚態性質與微觀結構及其關係
• 研究內容：固體電子論，巨觀量子態

學科介紹

凝聚態物理學是當今物理學最大也是最重要的分支學科之一。其研究層次，從巨觀、介觀到微觀，進一步從微觀層次統一認識各種凝聚態物理現象；物質維數從三維到低維和分數維；結構從周期到非周期和準周期，完整到不完整和近完整；外界環境從常規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更深刻更普遍的理論體系。經過半個世紀多的發展，凝聚態物理學已成為物理學中最重要、最豐富和最活躍的學科，在諸如半導體、磁學、超導體等許多學科領域中的重大成就已在當代高新科學技術領域中起關鍵性作用，為發展新材料、新器件和新工藝提供了科學基礎。前沿研究熱點層出不窮，新興交叉分支學科不斷出現是凝聚態物理學的一個重要特點；與生產實踐密切聯繫是它的另一重要特點，許多研究課題經常同時兼有基礎研究和開發套用研究的性質，研究成果可望迅速轉化為生產力。

起源發展

凝聚態物理學起源於19世紀固體物理學和低溫物理學的發展。19世紀，人們對晶體的認識逐漸深入。1840年法國物理學家A·布拉維導出了三維晶體的所有14種排列方式，即布拉維點陣。1912年，德國物理學家馮·勞厄發現了X射線在晶體上的衍射，開創了固體物理學的新時代，從此，人們可以通過X射線的衍射條紋研究晶體的微觀結構。

19世紀，英國著名物理學家法拉第在低溫下液化了大部分當時已知的氣體。1908年，荷蘭物理學家H·昂內斯將最後一種難以液化的氣體氦氣液化，創造了人造低溫的新紀錄－269 °C（4K），並且發現了金屬在低溫下的超導現象。超導具有廣闊的套用前景，超導的理論和實驗研究在20世紀獲得了長足進展，臨界轉變溫度最高紀錄不斷刷新，超導研究已經成為凝聚態物理學中最熱門的領域之一。

現今凝聚態物理學面臨的主要問題高溫超導體的理論模型。

理論基礎

固體物理學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上的。而凝聚態物理學的概念體系則淵源於相變與臨界現象的理論，植根於相互作用多粒子理論，因而具有更加寬闊的視野：既關注處於相變點一側的有序相，也不忽視處於另一側的無序相，乃至於兩者之間臨界區域中體現標度律與普適性的物理行為。

L.朗道於1937年針對二級相變提出了對稱破缺的重要概念，後來成為凝聚態物理學概念體系的主軸。在某一特定的物態之中，某一對稱元素的存在與否是不能模稜兩可的。當原始相中某一對稱元素在變溫或變壓過程中突然喪失，就意味著發生了相變，出現了有序相。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），有序相達到基態，而非零溫的有序相處於激發態。而激發態有恢復破缺了的對稱性的傾向。低能激發態是非定域的，以波或準粒子的形式出現，被稱為元激發的集合。非線性定域化的激發態則稱“讖緯”拓撲缺陷。元激發與拓撲缺陷均會對不同的物理性質產生影響。

物質處在足夠高的溫度將呈現氣態，它是均勻且各向同性的，就統計意義而言，保持了完整的平移和旋轉對稱性，與統轄它的物理定律的對稱性相同。降溫會使氣體凝結成液體，雖則整體的對稱性仍然保持不變，但出現了短程式。再降溫又使液體凝固成為晶體，平移和旋轉的對稱性都發生破缺，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，而具有誘人興趣物性的液體也多半是液晶或複雜液體，也和某種對稱破缺有關。晶態中的元激發為晶格振動或聲子，是理解固體的熱學性質的關鍵，晶態中的拓撲缺陷為位錯，是理解固體的塑性與強度的關鍵。

研究內容

凝聚態物理學的基本任務在於闡明微觀結構與物性的關係，因而判斷構成凝聚態物質的某些類型微觀粒子的集體是否呈現量子特徵（波粒二象性）是至關緊要的。電子質量小，常溫下明顯地呈現量子特徵；離子或原子則由於質量較重，只有低溫下（約4K）的液氦或極低溫下（μK至nK）的鹼金屬稀薄氣體，原子的量子特徵才突出地表現出來。這也說明為何低溫條件對凝聚態物理學的研究十分重要。微觀粒子分為兩類：一類是費米子，具有半整數的自旋，服從泡利不相容原理；另一類是玻色子，具有整數的自旋，同一能態容許任意數的粒子占據。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的核心問題。凝聚態物理學中情況依然如此。固體中電子的行為可按電子間相互作用的大小，分為三個區域。
①弱關聯區。基於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，套用於半導體和簡單金屬已取得非凡的成功，也構成半導體物理學的理論基礎。
②中等關聯區。包括一般金屬和強磁性物質。朗道的費米液體理論成功地描述了一般金屬以及低溫下³He液體中的元激發及物理行為。W.科恩等發展的密度泛函理論則提供了高效計算複雜結構材料中電子結構的理論框架。電子之間的交換相互作用（包括直接、間接、超交換、雙交換及巡遊交換）導致了磁有序相（鐵磁體、反鐵磁體及更鐵磁體）的形成。有關磁有序相的激發態（磁振子與磁疇）又提供了理解其物理參數和磁化曲線的契機，構成了鐵磁學的物理基礎。
③強關聯區。涉及電子濃度甚低的不良金屬。能帶理論建立不久，E.維格納就構想庫侖斥力使電子定域於維格納晶格上，接著N.莫脫認為NiO這類氧化物是因關聯導致的絕緣體，即莫脫絕緣體。20世紀60年代近藤對於稀磁合金中電阻極小現象作了理論解釋，稱為近藤效應。80—90年代在一系列摻雜莫脫絕緣體中發現了奇異的物性，如銅氧化物中發現高溫超導體、錳氧化物中發現巨磁電阻效應等。另外，還在與近藤效應有關的鑭系和錒系重電子合金中發現了多種有序相和反常的物性。對上述各類的強關聯物質中的物性問題研究，尚未得到圓滿解決。

巨觀量子態

低溫物理學研究的重大成果在於發現了金屬與合金中的超導現象（電阻在T_c以下突降為零，磁通全部被斥，成為完全抗磁體）和液氦中的超流現象（黏滯係數在T_c以下突降為零）。這些巨觀量子態現象的出現是規範對稱性（波函式相位可為任意值）破缺的後果。早在1924年愛因斯坦就根據玻色-愛因斯坦統計提出了玻色-愛因斯坦凝聚的構想，即理想的玻色氣體在低溫下會出現基態為巨觀的粒子數所占。⁴He原子是玻色子，因而在⁴He超流發現之後，F.倫敦就提出超流態是玻色–愛因斯坦凝聚的結果。而倫敦所提出的描述超導電動力學的倫敦方程實際上就蘊含了巨觀量子態的概念。1952年V.京茨堡與L.朗道提出的唯象超導理論就明確地引入了類似於巨觀波函式的復序參量來描述超導態。1957年J.巴丁等提出了正確的超導微觀理論，即BCS理論，其關鍵在於一對電子在動量空間由於電子–聲子相互作用而形成庫珀對，從而使電子系統也具有某些類似於玻色子系統的特徵。1972年在2.7mK以下發現了³He超流態，³He原子也是費米子，所以這也是費米子配對的結果。從序參量的對稱性可以判斷配對態的特性：常規超導體是s波配對的自旋單態，高溫超導體是d波配對的自旋單態，³He超流體是p波配對的自旋三態，具有磁性。還有一些疑似p波配對的非常規超導體，正在研究之中。非常規超導體的機制也尚待澄清。1995年E.科納爾等在將稀薄⁸⁷Rb氣體冷卻到極低溫（<μK）實現了玻色–愛因斯坦凝聚，這就將凝聚態物理學的研究領域擴充到極低溫下的稀薄氣體。

納米結構與介觀物理

由於對於一些簡單材料的物性已經比較清楚，從20世紀中葉開始就致力於將不同的材料按特定的結構尺度（關聯於物性的某一特徵長度）來組織成材料與器件的複合體，從而獲得優異的物理性能。如果所選的結構尺度在納米範圍（1—100納米）之內，即為納米結構。20世紀末這一領域引起學術界和社會上的廣泛重視。
量子力學認為粒子可穿過納米尺度的勢壘而呈現隧道效應。利用這一效應可製備隧道結這類夾層結構，諸如半導體隧道二極體、單電子超導隧道結、庫珀對超導隧道結。後者體現了約瑟夫森效應已成為超導電子學的核心器件。利用與自旋相關的隧道效應，則已制出具有隧道磁電阻的磁存儲器。
複合結構若進入電子費米波長的範圍，就呈現量子限制效應，導致了量子阱、量子線與量子點。半導體量子阱已用來製備快速電晶體和高效雷射器。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。量子點則可用以製備微腔雷射器和單電子電晶體。利用鐵磁金屬與非磁金屬可製成磁量子阱，呈現巨磁電阻效應，可用作存儲器的讀出磁頭。這些事例說明了納米電子學（包括自旋電子學）將成為固體電子學和光子學的發展主流。
納米結構在基礎研究中也發揮了十分重要的作用：在兩維電子氣中發現了整數和分數量子霍耳效應以及維格納晶格，在一維導體中驗證了盧廷格液體的理論，在一些人工納米結構中發現了介觀量子輸運現象。

軟物質物理學

軟物質又稱為複雜液體，是介於固體與液體之間的物相，液晶、乳膠、聚合物等均屬此類。軟物質大都是有機物質，雖然在原子尺度上是無序的，但在介觀尺度上則可能出現某種規則而有序的結構。如液晶分子是桿狀的，儘管其質心不具有位置序，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成，由於長程無序的關聯性，因而遵循了類似於臨界現象的標度律。20世紀70—80年代液晶物理學和聚合物物理學的建立，使凝聚態物理學從傳統的硬物質成功地延拓到軟物質。軟物質在微小的外界刺激（溫度、外場或外力）下有顯著的回響是其物性的特徵，從而產生明顯的實用效果。一顆紐扣電池可驅動液晶手錶數年之久，就是證明。軟物質變化過程中內能變化甚微，熵的變化十分顯著，因而其組織結構的變化主要由熵來驅動，和內能驅動的硬物質迥然有別。熵致有序和熵致形變乃是軟物質自組裝的物理基礎。
有機物質（小分子和聚合物）的電子結構與電子性質也受到廣泛的重視。有機發光器件和電子器件正在研製開發之中。

研究熱點

凝聚態物理學的研究熱點：①1984年發現準晶態；②1986年發現高溫超導體YBaCuO₂（釔鋇銅氧化物）；③1984年建立納米科學；④1992年發現材料LaSrMnO₃的巨磁阻效應；⑤2001年發現新的高溫超導材料MgB₂。

發展方向

凝聚態物理學的理論基礎是量子力學，基本上已經完備而成熟。但由於這裡涉及大量（趨於10²³）微觀粒子的體系，而且研究對象進一步複雜化，新結構、新現象和新機制依然層出不窮，需要從實驗、理論和計算上的探索，仍構成對人類智力的強有力的挑戰。
凝聚態物理學和高新技術的發展關係密切。信息、材料和能源技術在21世紀所面臨的挑戰將給凝聚態物理學的進一步發展提供機遇。凝聚態物理學還在學科交叉中大有可為。隨著凝聚態物理學日益深入到複雜結構的物質。它和化學之間的交叉滲透也愈來愈明顯，甚至學科間的分界線已趨於模糊。它和生物學之間的交叉滲透也日新月異，既有實驗技術上的相互支持，又有機制理論上的共同探索。