凝聚態物理學中的基本概念

李晗宇

摘 要：文章分析了凝聚態物理學這一學科的歷史沿革和它在當代的發展現狀，介紹了凝聚態物理學的理論基礎，集中分析了凝聚態物理學的研究內容，提出凝聚態物理學在當代以及未來的發展方向，旨在解釋清楚凝聚態物理學的概念，幫助學生學習、理解相關內容。

關鍵詞：凝聚態物理學；固體物理學；基本概念

中圖分類號：O469 文獻標識碼：A

一、凝聚態物理學的起源和發展

1.凝聚態物理學的起源

凝聚態物理學的前身是固體物理學，固體物理學的研究對象是固體，包括它的物理性質、微觀結構、各種內部運動以及彼此之間的關系。固體物理學的一個重要的理論基石為建立在單電子近似的基礎上的能帶理論，于1928年由布洛赫研究提出，周期結構中波的傳播是能帶理論的核心概念，基本建立了固體物理學的理論范式。

2.凝聚態物理學的發展

凝聚態物理學誕生于19世紀70年代，在19世紀80至90年代之間逐步發展，最終取代固體物理學這個概念。凝聚態物理學的誕生彌補了當時固體物理學研究存在的不足之處。

凝聚態物理學從微觀的角度研究凝聚態物質的物理性質、結構和各種運動以及彼此之間的關系。凝聚態物理學的理論基礎是相互作用多粒子理論，與固體物理學相比，凝聚態物理學的研究除了擴大研究對象范圍，還有一些概念的遷移和發展。

二、凝聚態物理學的理論基礎

凝聚態物理學以固體物理學研究為基礎，L·朗道和P·安德森這兩位科學家對凝聚態物理學的發展具有重要的影響。L·朗道提出了凝聚態物理學的主要的理論范式即對稱性破缺，并引入序參量和元激發，使之普遍化。P·安德森在研究著作中強調了對稱破缺和元激發的重要性，并補充提出了廣義剛度、重正化群等理論。

三、凝聚態物理學的研究內容

凝聚物理學主要研究物質的微觀結構與物理性質的相互關系，研究內容較為廣泛。

1.固體電子論

電子在固體中的行為是固體物理學長期研究的對象，也是凝聚態物理學的主要研究內容，電子在固體中的運動相互作用大小不同，主要包括三個區域：弱關聯區，形成半導體物理學的研究理論基礎；中等關聯區，形成鐵磁學的研究理論基礎；強關聯區，主要涵蓋對象是電子濃度非常低的不良金屬，其研究尚未得出圓滿結論。

2.宏觀量子態

低溫物理學的研究也是凝聚態物理學產生的基礎，金屬和合金中存在超導現象這一成果對凝聚態物理學的發展影響巨大。超導現象是規范對稱性破缺的結果，宏觀量子態的概念、超導微觀理論等的出現填補了超導研究的空白，玻色-愛因斯坦凝聚的實現將極低溫下的稀薄氣體也納入凝聚態物理學的研究范圍，但是仍有一些學科問題需要研究佐證，比如非常規超導體的機制仍未得到確定的解釋。

3.納米結構與介觀物理

納米技術研究的是在0.1～100納米的尺度里電子、原子和分子內的特性和運動規律。納米科技將人類的研究視角轉向微觀世界，納米技術的研究和應用對于人類社會生活具有開創性的意義，現在也是物理學研究的一個熱點方向。

4.軟物質物理學

軟物質是介于液態與固態之間的物質狀態，被稱為復雜液體。軟物質是凝聚態物理學的延伸研究學科，軟物質只要受到極小的外界刺激就會產生明顯反應，從而具有顯著的實用效果。

四、凝聚態物理學的發展方向

量子力學作為凝聚態物理學的理論基礎已基本成熟，但是由于凝聚態物理學的實際研究中涵蓋較多的微觀粒子體系，使研究具有復雜性，新的物質結構、物理現象的產生也對凝聚態物理學的研究提出了挑戰。凝聚態物理學研究中不斷與生物、化學等學科在實驗技術和理論概念上發生交叉滲透，將會對人類社會發展所需要的新能源、新材料和信息技術的發展起到推動作用。

參考文獻：

[1]馮 端，金國鈞.凝聚態物理學中的基本概念[J].物理學進展，2000（1）：1-21.

[2]秋 葉.我國凝聚態物理學進展概況[J].現代物理知識，1994（2）：8-11.