凝聚態物理學與材料研究的前沿問題

馬明毅

摘要 近年來，隨著社會經濟快速發展，學術界對各個學科加大了研究力度。凝聚態物理學與材料科學交叉取得了豐富的研究成果，為相關領域發展帶來了諸多發展機遇。本文從凝聚態物理學與材料概念入手，從表面等角度深入探討凝聚態物理學與材料研究前沿問題，為未來學科發展提供參考。

關鍵詞 凝聚態物理學；材料；前沿問題

中圖分類號 04 文獻標識碼 A 文章編號2095—6363（2016）13—0003—02

材料科學與物理學之間存在密切的聯系，物理學作為一門基礎性學科，在人類社會發展過程中占據至關重要的位置。同時，材料科學遇到的難題吸引著物理學家分析和研究，因此，物理學與材料學深度結合形成了一門交叉學科。其中凝聚態作為物理學的一部分，加強對其與材料研究前沿問題的研究能夠為學者后續研究提供更多支持，且能夠在很大程度豐富研究成果。

1凝聚態物理學與材料概述

凝聚態物理學，是指研究凝聚態物質的物理性質、微觀結構等之間的關系。簡而言之，通過對構成凝聚態物質電子、離子等運行形態、規律進行探索，充分認識物質的物理性質。隨著研究不斷深入，針對凝聚態物理學的研究已經由初級層面朝著高級層面發展。如有固體形態向外拓展上升至液氮、熔鹽等液態物質，甚至還有氣態物質。另外，隨著技術的發展，一些全新的概念體系逐漸滲透，產生了更多新的研究成果，賦予材料新特點，在很大程度上幫助學者解決疑難問題提供了極大的支持。

就廣義角度來看，材料是幫助人類生產和生活，制造有用器件的物質。隨著人類社會發展，自然資源和能源日益減少，對于材料概念的理解也發生了變化，因此材料是人類社會能夠接受、且經濟性地創造有用器件的物質，更加強調資源、環境等因素。從實用層面來劃分，材料分為金屬、無機及有機3種。

2凝聚態物理學與材料研究前沿問題分析

2.1表面與界面方面

表面與界面作為物理學與材料學交叉的重要領域，很多相互作用都建立在材料表面和界面基礎之上。物體自身狀態直接決定材料熱力學效應。作為重點研究領域，界面與表面是當今該領域研究的一大難點。凝聚態物理學研究成果，在很大程度上為材料界面與表面理論發展提供了支持，如離子束的提出，使得人們自20世紀60年代開始運用離子束，注入到材料表面，對材料表面特性進行優化和調整，使其在具體實踐中能夠更好地發揮積極作用，為人們生產和生活提供便利。

催化和腐蝕是表面控制的2個主要過程。截止到今天，催化和腐蝕機理尚未得到完善的研究成果。此外，薄膜功能材料的提出，也成為該領域研究的重點。如光的干涉效應能夠引起透射和反射。表面與界面在為電子學方面也具有非常重要的作用，如半導體和金屬界面等，能夠對器件性能的發揮產生不同程度的影響。綜合來看，表面和界面的研究處于前沿地位，且每個關鍵問題的有效解決都能夠給相關領域帶來巨大的經濟價值。

2.2微結構方面

凝聚態物理學很多基本理論，如固體能帶理論、元級法理論等都是建立在粒子數無限大基礎之上。這些理論證明了銅、鋁具有導電性，為實踐生產奠定了理論基礎。現如今，運用能帶理論，能夠對晶體的參量進行計算，并獲取準確的結果。由于該項理論非常成熟，要想進一步突破難度非常大。對此要想發現全新的結果，需要從不同的道路著手。正如R.Feynman曾指出“當我們得以對細微尺度的事物進行操控，將會在很大程度上拓展我們獲得的范圍”，其所要強調的是未來新材料的發展和研究動向，即通過設計和控制材料在細節上的差異性，從而在現有材料中探索出意想不到的物理性能。

2.3理論與模型方面

理論與模型對材料科學貢獻較大。計算物理學是材料科學家運用的主要工具，定量模型的發展是物理學與材料科學交叉的產物，通過構建模型能夠對物品的物理性質等進行分析和了解。目前，很多物理學概念在材料研究中應用較廣。如相變、裂變等，與之相對應的儀器設備也層出不窮。如今空間分辨率能夠在特定環境下觀察到單個原子，因此可以說，沒有這些研究成果，材料科學就不能夠獲得更大的進步。但是微結構的定量描述始終是材料科學的主要課題，也是物理學家和材料學家合作的重點方向。

2.4材料方面

凝聚態理論日漸完善，使得我們能夠更加明確材料的物理特性，但是隨著人類社會的發展，仍然面臨著很多疑難問題。如強關聯體系中的材料寶藏。電子關聯，是電子之間形成的庫侖作用。就現有理論研究成果來看，處理固體電子系統時，需要適當忽略電子之間的相互作用，在理想條件下進行研究。但得出的結論依舊不能夠掩蓋這一缺陷，且不能夠適用于實踐當中。可見，電子之間的庫倫作用關聯重要性受到了廣泛關注。

通常來說，強關聯物質存在于特定范圍當中，如金屬與絕緣體界限附近，即電子處于完全離域化拓展狀態。因此要想實現對電子具體狀態的有效判斷，研究人員需要從其他方面入手，分析各個元素之間的關系，然后對其形態進行排序，最后獲取到相應的規則。值得關注的是，現階段，我們針對強關聯體系的認知水平處于初級階段，無論是理論、還是實踐方面都有待進一步深入。而從材料方面來說，多元復雜結構的氧化物尚未得到開發和研究，因此，可以將此作為未來全新的研究課題，并利用強關聯理論，進而實現對新材料的勘探和開發，為人類社會進一步發展提供更多支持和參考。

2.5工藝方面

凝聚態物理學發展建立在新技術及傳統工藝優化進程當中。如上文提到的離子束技術，能夠對材料表面的相互作用進行分析。針對處于溫度較低的條件下，能夠建設成為不同的材料。因此可以廣泛應用于高性能、功能豐富的薄膜當中，從而形成全新的材料。另外，激光技術的提出為科學研究帶來了諸多發展契機。如激光拉曼光譜與XRD技術的有機整合，能夠幫助我們重新認識晶體結構，進而為半導體的進一步探索提供相應的技術支持。外延作為一種制作單晶薄膜的技術，其之所以能夠發展起來，究其根本是在凝聚態物理學的支持存在密不可分的聯系。隨著社會進步，人們對技術將會提出更高要求。因此還應加大對全新工藝的研究，與此同時，加大對現有工藝不足和缺陷的優化和改正，進而為實踐研究做好充分的準備。

3結論

根據上文所述，針對凝聚態物理學與材料的研究，本文從不同的方面給予了分析和論述，匯總起來能夠發現，對于該學科的研究貫穿著簡單到復雜這條主線。因此，在未來研究中，專家和學者要從實際情況入手，結合現有理論研究成果，針對尚未成熟的領域，要堅持由簡及難原則，從獨特的角度進行思考和論證，同時加大對新工藝、新材料的研究力度，對不同元素進行融合處理，不斷豐富理論研究成果，創新更多性能更好的材料，為人類生產和生活提供更多支持，從而促進我國相關領域又好又快發展。endprint