凝聚態(tài)物理概論

秦金峰

摘 要：凝聚態(tài)物理是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成粒子（如原子、分子、離子、電子）之間相互作用與運(yùn)動規(guī)律，從而闡明其性能和用途的科學(xué)，其涉及的種類繁多，如半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、晶體、磁性物質(zhì)等。而凝聚態(tài)物理學(xué)，作為當(dāng)前物理學(xué)中最大、最活躍的分支學(xué)科之一，在許多學(xué)科領(lǐng)域乃至最前沿的高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為發(fā)展新材料、新技術(shù)、新工藝等提供了強(qiáng)有力的理論支撐。

關(guān)鍵詞：凝聚態(tài)物理；研究方向；成就

中圖分類號：O469 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、凝聚態(tài)物理的重要性

凝聚態(tài)物理主要從兩個方面體現(xiàn)其重要性：一方面體現(xiàn)為與相鄰學(xué)科（如粒子物理學(xué)）之間在概念、方法、技術(shù)等方面的滲透，促進(jìn)材料科學(xué)、能源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等交叉學(xué)科的發(fā)展，并日益顯現(xiàn)出其強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硪环矫鏋檠邪l(fā)和制備新型材料提供了強(qiáng)有力的理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)支持，同時也為開發(fā)和拓展新領(lǐng)域提供了極具實(shí)用性的科學(xué)理論依據(jù)。

二、凝聚態(tài)物理的主要研究方向

隨著交叉學(xué)科的發(fā)展和技術(shù)需求的提高，凝聚物理的研究范圍更加廣闊，技術(shù)要求更加精密。凝聚態(tài)物理的主要研究方向有以下幾種。

1.軟物質(zhì)物理學(xué)

軟物質(zhì)概念于1991年提出，也稱為復(fù)雜液體。軟物質(zhì)一般是由大分子或基團(tuán)組成的，介于固體和液體之間的物相。一些常見的物質(zhì)，如液晶、膠體、膜，生命體系物質(zhì)諸如蛋白質(zhì)、DNA、細(xì)胞等，都屬于軟物質(zhì)。和由內(nèi)能驅(qū)動的硬物質(zhì)不同，軟物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)變化主要由熵驅(qū)動，變化過程中內(nèi)能的變化很微小。

2.宏觀量子態(tài)

宏觀量子態(tài)是指用量子力學(xué)來描述宏觀體系的狀態(tài)，如超導(dǎo)中的電子庫珀對。宏觀量子態(tài)具有典型的量子力學(xué)性質(zhì)，當(dāng)前宏觀量子態(tài)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)為耗散現(xiàn)象和退相干現(xiàn)象。

3.介觀物理與納米結(jié)構(gòu)

介觀是指介于宏觀和微觀之間的體系。介觀物理學(xué)所研究的物質(zhì)大小與納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一研究方向也常稱之為“介觀物質(zhì)和納米科技”。

4.固體電子論中的關(guān)聯(lián)區(qū)

凝聚態(tài)物理的前身——固體物理學(xué)研究的核心問題，就是固體中的電子行為。固體中的電子行為可根據(jù)電子間相互作用的大小分為三個區(qū)域，分別是強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)、中等關(guān)聯(lián)區(qū)和弱關(guān)聯(lián)區(qū)。現(xiàn)今研究固體電子論的大部分學(xué)者研究方向都是強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。

三、凝聚態(tài)物理的主要研究現(xiàn)象及其理論依據(jù)

目前凝聚態(tài)物理的主要研究現(xiàn)象有超導(dǎo)、光譜、弱相互作用、磁性研究（微磁學(xué)、鐵磁學(xué)、相圖、磁阻、巨磁阻抗效應(yīng)等）、多向異性、子晶格、態(tài)密度、能隙、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、激發(fā)態(tài)、量子通信、冷原子、霍爾效應(yīng)等。

凝聚態(tài)物理所用的理論依據(jù)主要源于相變與臨界現(xiàn)象的理論，成熟完備的量子力學(xué)則是其堅(jiān)定可靠的理論基石，在這兩種理論之下，凝聚態(tài)物理根植于相互作用的多粒子理論。凝聚態(tài)物理的前身——固體物理學(xué)中的一個重要理論依據(jù)是能帶理論。目前來說一些常用的理論方法有很多，比如蒙特·卡洛方法、波爾茨曼模型、分子動力學(xué)模擬、伊辛模型、有效場、平均場，等等。

四、目前凝聚態(tài)物理研究取得的一些成就

太陽能電池和納米器件是凝聚態(tài)物理研究在器件方面取得的較為突出的兩類成就。而在材料方面，凝聚態(tài)物理的研究成果則更為明顯，比如超導(dǎo)體、拓?fù)浣^緣材料、納米材料、電子陶瓷材料、復(fù)合熱電材料、自旋液體、薄膜材料、碳材料（碳化罜薄膜，石墨烯，石墨炔等），等等。還有很多根據(jù)凝聚態(tài)物理的特性制備出來的極具效用的成果，比如利用粒子的隧道效應(yīng)制備的隧道結(jié)夾層結(jié)構(gòu)，利用量子點(diǎn)制備單電子晶體管和微腔激光器，利用磁鐵和非磁金屬制備磁量子阱，等等。當(dāng)然，凝聚態(tài)物理方面取得的成就遠(yuǎn)不止這些，還有很多相當(dāng)具有發(fā)展?jié)摿Φ某删秃脱芯砍晒档梦覀內(nèi)ド钊胙芯亢桶l(fā)掘。

基礎(chǔ)科學(xué)一直以來是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和推手。凝聚態(tài)物理作為一門基礎(chǔ)學(xué)科，詮釋客觀物質(zhì)世界存在的現(xiàn)象和規(guī)律，也為人們預(yù)測和創(chuàng)造新的事物提供理論依據(jù)和操作指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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