凝聚態(tài)物理學(xué)中的基本概念

李晗宇

摘 要：文章分析了凝聚態(tài)物理學(xué)這一學(xué)科的歷史沿革和它在當(dāng)代的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了凝聚態(tài)物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，集中分析了凝聚態(tài)物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容，提出凝聚態(tài)物理學(xué)在當(dāng)代以及未來(lái)的發(fā)展方向，旨在解釋清楚凝聚態(tài)物理學(xué)的概念，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)、理解相關(guān)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：凝聚態(tài)物理學(xué)；固體物理學(xué)；基本概念

中圖分類號(hào)：O469 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、凝聚態(tài)物理學(xué)的起源和發(fā)展

1.凝聚態(tài)物理學(xué)的起源

凝聚態(tài)物理學(xué)的前身是固體物理學(xué)，固體物理學(xué)的研究對(duì)象是固體，包括它的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、各種內(nèi)部運(yùn)動(dòng)以及彼此之間的關(guān)系。固體物理學(xué)的一個(gè)重要的理論基石為建立在單電子近似的基礎(chǔ)上的能帶理論，于1928年由布洛赫研究提出，周期結(jié)構(gòu)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(xué)的理論范式。

2.凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展

凝聚態(tài)物理學(xué)誕生于19世紀(jì)70年代，在19世紀(jì)80至90年代之間逐步發(fā)展，最終取代固體物理學(xué)這個(gè)概念。凝聚態(tài)物理學(xué)的誕生彌補(bǔ)了當(dāng)時(shí)固體物理學(xué)研究存在的不足之處。

凝聚態(tài)物理學(xué)從微觀的角度研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和各種運(yùn)動(dòng)以及彼此之間的關(guān)系。凝聚態(tài)物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是相互作用多粒子理論，與固體物理學(xué)相比，凝聚態(tài)物理學(xué)的研究除了擴(kuò)大研究對(duì)象范圍，還有一些概念的遷移和發(fā)展。

二、凝聚態(tài)物理學(xué)的理論基礎(chǔ)

凝聚態(tài)物理學(xué)以固體物理學(xué)研究為基礎(chǔ)，L·朗道和P·安德森這兩位科學(xué)家對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展具有重要的影響。L·朗道提出了凝聚態(tài)物理學(xué)的主要的理論范式即對(duì)稱性破缺，并引入序參量和元激發(fā)，使之普遍化。P·安德森在研究著作中強(qiáng)調(diào)了對(duì)稱破缺和元激發(fā)的重要性，并補(bǔ)充提出了廣義剛度、重正化群等理論。

三、凝聚態(tài)物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容

凝聚物理學(xué)主要研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)的相互關(guān)系，研究?jī)?nèi)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(xué)長(zhǎng)期研究的對(duì)象，也是凝聚態(tài)物理學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，電子在固體中的運(yùn)動(dòng)相互作用大小不同，主要包括三個(gè)區(qū)域：弱關(guān)聯(lián)區(qū)，形成半導(dǎo)體物理學(xué)的研究理論基礎(chǔ)；中等關(guān)聯(lián)區(qū)，形成鐵磁學(xué)的研究理論基礎(chǔ)；強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)，主要涵蓋對(duì)象是電子濃度非常低的不良金屬，其研究尚未得出圓滿結(jié)論。

2.宏觀量子態(tài)

低溫物理學(xué)的研究也是凝聚態(tài)物理學(xué)產(chǎn)生的基礎(chǔ)，金屬和合金中存在超導(dǎo)現(xiàn)象這一成果對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展影響巨大。超導(dǎo)現(xiàn)象是規(guī)范對(duì)稱性破缺的結(jié)果，宏觀量子態(tài)的概念、超導(dǎo)微觀理論等的出現(xiàn)填補(bǔ)了超導(dǎo)研究的空白，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的實(shí)現(xiàn)將極低溫下的稀薄氣體也納入凝聚態(tài)物理學(xué)的研究范圍，但是仍有一些學(xué)科問(wèn)題需要研究佐證，比如非常規(guī)超導(dǎo)體的機(jī)制仍未得到確定的解釋。

3.納米結(jié)構(gòu)與介觀物理

納米技術(shù)研究的是在0.1～100納米的尺度里電子、原子和分子內(nèi)的特性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。納米科技將人類的研究視角轉(zhuǎn)向微觀世界，納米技術(shù)的研究和應(yīng)用對(duì)于人類社會(huì)生活具有開(kāi)創(chuàng)性的意義，現(xiàn)在也是物理學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向。

4.軟物質(zhì)物理學(xué)

軟物質(zhì)是介于液態(tài)與固態(tài)之間的物質(zhì)狀態(tài)，被稱為復(fù)雜液體。軟物質(zhì)是凝聚態(tài)物理學(xué)的延伸研究學(xué)科，軟物質(zhì)只要受到極小的外界刺激就會(huì)產(chǎn)生明顯反應(yīng)，從而具有顯著的實(shí)用效果。

四、凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展方向

量子力學(xué)作為凝聚態(tài)物理學(xué)的理論基礎(chǔ)已基本成熟，但是由于凝聚態(tài)物理學(xué)的實(shí)際研究中涵蓋較多的微觀粒子體系，使研究具有復(fù)雜性，新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理現(xiàn)象的產(chǎn)生也對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)的研究提出了挑戰(zhàn)。凝聚態(tài)物理學(xué)研究中不斷與生物、化學(xué)等學(xué)科在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論概念上發(fā)生交叉滲透，將會(huì)對(duì)人類社會(huì)發(fā)展所需要的新能源、新材料和信息技術(shù)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮 端，金國(guó)鈞.凝聚態(tài)物理學(xué)中的基本概念[J].物理學(xué)進(jìn)展，2000（1）：1-21.

[2]秋 葉.我國(guó)凝聚態(tài)物理學(xué)進(jìn)展概況[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，1994（2）：8-11.