當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究的主要幾個分支及研究進(jìn)展

張翠萍

（本溪廣播電視大學(xué)理工學(xué)院，遼寧 本溪 117000）

當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究的主要幾個分支及研究進(jìn)展

張翠萍

（本溪廣播電視大學(xué)理工學(xué)院，遼寧 本溪 117000）

本文通過對凝聚態(tài)物理固體電子論中的關(guān)聯(lián)區(qū)、宏觀量子態(tài)、介觀物理與納米結(jié)構(gòu)和軟物質(zhì)物理學(xué)這幾個分支研究的一些內(nèi)容還有對當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究的一些現(xiàn)象及其理論方法和已經(jīng)取得的一些成就連同它們在器件和材料方面產(chǎn)生的作用和對未來影響的闡述，給出了這一基礎(chǔ)學(xué)科對科學(xué)技術(shù)的影響和貢獻(xiàn)，表明了凝聚態(tài)物理對現(xiàn)代科技的作用。

凝聚態(tài)物理；關(guān)聯(lián)區(qū)；量子態(tài)；理論方法

凝聚態(tài)物理學(xué)是當(dāng)今物理學(xué)中最大也是最重要的分支學(xué)科之一，它是從微觀角度出發(fā)，研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系，因此建立起既深刻又普遍的理論體系，是當(dāng)前物理學(xué)中最重要、最豐富和最活躍的學(xué)科，在許多學(xué)科領(lǐng)域中的重大成就已在當(dāng)今高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中起了關(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)。凝聚態(tài)物理一方面與粒子物理學(xué)在概念上的發(fā)展相互滲透，對一些最基本的問題給出啟示；另一方面為新型材料的研發(fā)和制備提供理論上和實(shí)驗(yàn)上的支持，與工科的技術(shù)學(xué)科銜接構(gòu)成科學(xué)上最有實(shí)用性的拓新領(lǐng)域。那么，當(dāng)今凝聚態(tài)物理主要研究哪些分支內(nèi)容？使用什么樣的理論方法？這些研究在哪些方面有所成就？

一、凝聚態(tài)物理當(dāng)今主要研究的一些分支內(nèi)容

凝聚態(tài)指的是由大量粒子組成且粒子間有很強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)。固態(tài)和液態(tài)是最常見的凝聚態(tài)，低溫下的超流態(tài)、超導(dǎo)態(tài)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、磁介質(zhì)中的鐵磁態(tài)、反鐵磁態(tài)等，也都是凝聚態(tài)。凝聚態(tài)物理是屬于偏應(yīng)用的交叉學(xué)科，研究方向和分支很多，基本任務(wù)是闡明微觀結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)的關(guān)系。傳統(tǒng)的凝聚態(tài)物理主要研究半導(dǎo)體、磁學(xué)、超導(dǎo)體等，現(xiàn)今凝聚態(tài)物理學(xué)研究的理論內(nèi)容十分廣泛，以下是其中較活躍的幾個分支：

1.固體電子論中的關(guān)聯(lián)區(qū)

研究固體中的電子行為，是凝聚態(tài)物理的前身固體物理學(xué)的核心問題。按電子間相互作用的大小，固體中電子的行為分成3個區(qū)域，它們分別是弱關(guān)聯(lián)區(qū)、中等關(guān)聯(lián)區(qū)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)。弱關(guān)聯(lián)區(qū)的研究基于電子受晶格上離子散射的能帶理論，應(yīng)用于半導(dǎo)體和簡單金屬，構(gòu)成了半導(dǎo)體物理學(xué)的理論基礎(chǔ)；中等關(guān)聯(lián)區(qū)的研究包括一般金屬和強(qiáng)磁性物質(zhì)，是構(gòu)成鐵磁學(xué)的物理基礎(chǔ)；強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)則涉及電子濃度很低的不良金屬，諸如莫脫絕緣體、近藤效應(yīng)、巨磁電阻效應(yīng)等，它們的物理性質(zhì)問題尚未得到很好地解決。

現(xiàn)今對固體電子論的研究比較注重的是強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。

2.宏觀量子態(tài)

用量子力學(xué)描述宏觀體系的狀態(tài)稱為宏觀量子態(tài)，如超導(dǎo)中電子的庫珀對。超導(dǎo)現(xiàn)象是電阻在臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc以下突然降為零，磁通全部被斥，成為完全抗磁體，超流現(xiàn)象是當(dāng)液氦（4He）的溫度降到2.17K時，由正常流體突然轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸幌盗袠O不尋常的性質(zhì)的“超流體”。宏觀量子態(tài)具有典型的量子力學(xué)性質(zhì)，如勢壘隧道穿越和位相相干等。當(dāng)前量子力學(xué)研究的重要課題是退相干現(xiàn)象和耗散現(xiàn)象。

3.介觀物理與納米結(jié)構(gòu)

介觀是介于宏觀與微觀之間的一種體系，處于介觀的物體的尺寸可以說是宏觀的，因而具有宏觀體系的特點(diǎn)；但是由于其中電子運(yùn)動的相干性，會出現(xiàn)一系列新的與量子力學(xué)相位相聯(lián)系的干涉現(xiàn)象，這又與微觀體系相似，故稱“介觀”。介觀物理學(xué)所研究的物質(zhì)尺度和納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一領(lǐng)域的研究常被稱為“介觀物理和納米科技”。

為獲取更優(yōu)異的物理性能，凝聚態(tài)物理界從20世紀(jì)中期開始注重將材料按特定的結(jié)構(gòu)尺度組織成復(fù)合體，若結(jié)構(gòu)尺度在1nm～100nm范圍內(nèi)，即為納米結(jié)構(gòu)，它在基礎(chǔ)研究中發(fā)揮的重要的作用是：在兩維電子氣中發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)和維格納晶格，在一維導(dǎo)體中驗(yàn)證了盧廷格液體的理論，在一些人工的納米結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了介觀量子輸運(yùn)現(xiàn)象。在未來的一段時期內(nèi)，納米電子學(xué)和自旋電子學(xué)將成為固體電子學(xué)和光子學(xué)的發(fā)展主流。

4.軟物質(zhì)物理學(xué)

1991年被提出的軟物質(zhì)也被稱為復(fù)雜液體，它是介于固體與液體之間的物相，一般由大分子或基團(tuán)組成，諸如液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質(zhì)、生命體系物質(zhì)諸如DNA、細(xì)胞、體液、蛋白質(zhì)等都屬于這類物質(zhì)，它們中大多數(shù)都是有機(jī)物質(zhì)，在原子的尺度上是無序的，在介觀的尺度上則可能出現(xiàn)某種規(guī)則而有序的結(jié)構(gòu)。軟物質(zhì)在變化過程中內(nèi)能的變化很微小，熵的變化卻很大，因而其組織結(jié)構(gòu)的變化主要是由熵來驅(qū)動，和內(nèi)能驅(qū)動的硬物質(zhì)不同。有機(jī)物質(zhì)中的小分子和聚合物的電子結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)現(xiàn)在正受到重視，因此有機(jī)發(fā)光器件和電子器件正在研制開發(fā)中。

二、當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究的一些現(xiàn)象及其理論方法

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，植根于相互作用的多粒子理論。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)完備且成熟。

當(dāng)前常用的一些理論方法：第一性原理（特指密度泛函理論計(jì)算），蒙特-卡洛方法，玻爾茲曼模型，分子動力學(xué)模擬，伊辛模型，有效場，平均場等等。

當(dāng)前被研究的一些現(xiàn)象：光譜，超導(dǎo)，霍爾效應(yīng)，弱相互作用，電阻（巨磁電阻，龐磁電阻），磁性研究（磁阻，微磁學(xué)，鐵磁性，巨磁阻抗效應(yīng)，相圖），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、物理進(jìn)展等等。

第一性原理方法是根據(jù)原子核與電子相互作用及其基本運(yùn)動的規(guī)律，運(yùn)用量子力學(xué)原理從哈密頓量出發(fā)，近似處理后進(jìn)行求解薛定諤方程的方法，它能給出體系的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)等相關(guān)信息，能描述化學(xué)鍵的斷裂、重組，以及電子的重排而被很多人多熱衷。

蒙特-卡羅方法也被稱統(tǒng)計(jì)模擬方法，是以概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的使用隨機(jī)數(shù)來進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法一類數(shù)值計(jì)算方法，它是以事件出現(xiàn)的頻率估算隨機(jī)事件的概率，并將這個結(jié)果作為問題的解。

伊辛模型是描述分子之間有較強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)發(fā)生相變情況的模型。通常使用有效場理論、平均場理論和蒙特·卡羅方法來研究它。

三、當(dāng)今凝聚態(tài)物理研究的一些成就

凝聚態(tài)物理當(dāng)今在器件方面取得的兩方面主要成就是太陽能電池和納米器件。在材料方面取得的一些成就有：納米材料，電子陶瓷材料，拓?fù)浣^緣材料，碳材料（石墨烯，石墨炔，碳化鍺薄膜等），復(fù)合熱電材料，自旋液體、超導(dǎo)體，超材料，薄膜材料。

上邊所列的這些成就中，拓?fù)浣^緣體的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)，這有望于制造未來新型電腦芯片等元器件。自旋液體描述物質(zhì)中的一種特殊自旋排布狀態(tài)，材料的作用能支持某些奇異的超導(dǎo)性或?qū)⒁恍┫窳Ｗ右粯訐碛须姾傻膶?shí)體組織起來。石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計(jì)算機(jī)，而且它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。當(dāng)今對石墨炔衍生物的研究逐漸成為研究熱點(diǎn)，研究者們積極地設(shè)計(jì)可能的石墨炔衍生物并預(yù)測其物理性質(zhì)。如研究BN摻雜的石墨炔系列結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它的性質(zhì)與硼氮元素?fù)诫s的濃度和位置緊密相關(guān)；N摻雜石墨炔可充當(dāng)氧還原反應(yīng)的無金屬電催化劑；氟化作用可調(diào)節(jié)石墨炔帶隙寬度，這使得石墨炔在納米電子設(shè)備的使用上使其有靈活性；分別在石墨二炔和α-石墨炔中摻入硅和鍺的結(jié)果是碳硅元素以及碳鍺元素之間可以形成穩(wěn)定的炔鍵結(jié)構(gòu)，并且其帶隙值明顯加寬?？傊O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這些新的碳鍺材料，不僅可以豐富碳相關(guān)材料的數(shù)據(jù)庫，而且可以為電子設(shè)備、氣體分離薄膜、儲能材料、鋰離子電池電極材料等方面提供可選的對象。

還有，利用粒子的隧道效應(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)。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。半導(dǎo)體量子阱已用來制備快速晶體管和高效激光器。量子點(diǎn)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等等。

結(jié)論

有人說：“沒有量子力學(xué)就沒有手機(jī)和電腦，就沒有現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)的普及。”從這句話中可以看出更確鑿的事實(shí)：基礎(chǔ)科學(xué)一直是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和推手，凝聚態(tài)物理在理論上的發(fā)展一方面詮釋客觀物質(zhì)世界存在的現(xiàn)象，一方面又能預(yù)測人類將能解決的客觀問題；而它在實(shí)驗(yàn)上的發(fā)展則是根據(jù)其理論上建立的模型給予驗(yàn)證并因此揭示客觀事物的實(shí)質(zhì)與規(guī)律，且據(jù)此來建立并整合理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)用技術(shù)之間的聯(lián)系，使得這些客觀事物及其規(guī)律最終為人類所利用。

［1］段文暉，陳曦.清華大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)科的發(fā)展歷史和最新研究進(jìn)展［J］.中國科學(xué)，2011（4）：493-500.

［2］葉飛，蘇剛.拓?fù)浣^緣體及其研究進(jìn)展［J］.物理，2010，39（8）：564-569.

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