凝聚態(tài)物理理論發(fā)展研究

摘 要：凝聚態(tài)物理是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其組成粒子之間相互作用與運(yùn)動的規(guī)律，并通過論證進(jìn)一步闡明這些物質(zhì)所具有的性能和用途的科學(xué)。它在當(dāng)今的應(yīng)用科學(xué)與基礎(chǔ)科學(xué)中已經(jīng)占據(jù)了越來越重要的位置。本文從對凝聚態(tài)物理的介紹開始，對凝聚態(tài)物理的發(fā)展歷史進(jìn)行了論述，最后對凝聚態(tài)物理未來的發(fā)展做出了一點(diǎn)展望。

關(guān)鍵詞：凝聚態(tài) 物理 發(fā)展 展望

中圖分類號：G421文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-9795（2012）10（a）-0071-01

對于物理學(xué)理論來說，凝聚態(tài)物理可以說是一個很寬的領(lǐng)域，在這個領(lǐng)域中工作的物理學(xué)家約占據(jù)了全部人數(shù)的一半以上。凝聚態(tài)物理主要研究晶體及非晶固體的性質(zhì)，但也研究液體和氣體的性質(zhì)，以及復(fù)雜系統(tǒng)的性質(zhì)。目前，凝聚態(tài)物理的許多技術(shù)不但涉及到本專業(yè)，甚至已經(jīng)擴(kuò)展到物理學(xué)的其他領(lǐng)域，有些內(nèi)容已經(jīng)擴(kuò)展到更多的學(xué)科分支。除了對基礎(chǔ)科學(xué)的這些貢獻(xiàn)以外，對于現(xiàn)代技術(shù)和眾多高新產(chǎn)品的研發(fā)來說，凝聚態(tài)物理也在現(xiàn)在并將在今后具有極密切和深遠(yuǎn)的影響。

1 凝聚態(tài)物理簡介

凝聚態(tài)是指固體、液體，以及介于固體和液體之間（如液晶、聚合物、分子膜、凝膠等）形態(tài)的總稱。凝聚態(tài)物理則是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成粒子之間相互作用與運(yùn)動的規(guī)律并從而闡明其性能和用途的科學(xué)。凝聚態(tài)物理門類繁多、內(nèi)容豐富，它涉及到多種物質(zhì)，包括金屬、半導(dǎo)體、磁性物質(zhì)、超導(dǎo)體、晶體、電介質(zhì)等等，近年來發(fā)展迅速，是一門應(yīng)用極其廣泛的學(xué)科，已成為當(dāng)今物理學(xué)異常活躍的領(lǐng)域。

2 凝聚態(tài)物理理論的發(fā)展歷史

2.1 國際上

凝聚態(tài)物理的前身可以說是固體物理，它是人們熟知的固體物理的向外延拓。開普勒的行星運(yùn)動三定律聞名遐邇，他在1611年《論六角雪花》中討論雪花的對稱性，這也許可以稱之為固體物理的始祖。18世紀(jì)末，R.J.Hauy就在天然礦物晶體測角術(shù)的基礎(chǔ)上，建立了幾何晶體學(xué)的基本規(guī)律。到了19世紀(jì)中期，Hassel推導(dǎo)出32種點(diǎn)群，布喇菲推導(dǎo)出14種點(diǎn)陣。構(gòu)成了固體理論的第一根柱石。

1912年勞厄等發(fā)現(xiàn)x射線通過晶體的衍射現(xiàn)象，這個事件的發(fā)生成為了固體物理發(fā)展史中的一個重要里程碑。1928年Bethe簡化了厄瓦耳的動力學(xué)衍射理論來處理電子衍射的問題，求解了周期勢場中電子運(yùn)動這一量子力學(xué)間題，接觸到固體物理的一個核心問題。到60年代以后，中子非彈性散射與激光非彈性散射理論的研究，又成功地為探測晶格振動的模式和測定其色散關(guān)系做出了重要的貢獻(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)的方式使得晶格動力學(xué)理論的許多推論得到了證實(shí)。70年代初，Osheroff，Richardson與Lee發(fā)現(xiàn)He在極低溫條件下（低于2mk）也出現(xiàn)超流態(tài)。和超導(dǎo)相似，這就涉及到了費(fèi)米粒子的配對問題。

到了近代，凝聚態(tài)物理的發(fā)展更是百花盛開，特別是液態(tài)及軟凝聚態(tài)物理的研究更是逐步成熟。例如固體粉末與液體混合物體系，通過改變施加的電場（或磁場）強(qiáng)度，可以得到電（磁）流變液，可連續(xù)調(diào)節(jié)其軟硬程度，并且響應(yīng)時間很快。它所具有的這種奇特性質(zhì)，在實(shí)際工作中有很好的應(yīng)用前景。

2.2 中國

凝聚態(tài)物理最早在新中國發(fā)展起來是緣于周恩來總理對于基礎(chǔ)研究理論的高度重視。為貫徹周恩來總理關(guān)于加強(qiáng)科學(xué)理論研究的指示，清華大學(xué)在1973年開辦了固體物理研究班，并招收了13名學(xué)員。在此期間，由于歷史原因，研究班一直中斷，后于1978年再次恢復(fù)，并招收了新一屆4名學(xué)員。第一批學(xué)員在1980年答辯結(jié)束后，固體物理研究才正式宣告成立。隨后，在全國各個高校中對于固體物理的研究也正式開展起來，并迅速發(fā)展壯大。

近幾年來固體物理的基本概念和實(shí)驗(yàn)技術(shù)也在一些非固體物質(zhì)的研究領(lǐng)域中應(yīng)用并取得顯著成效，一定程度上使得兩者的界定不再那么明顯，所以科學(xué)家們采用了凝聚態(tài)物理這一名稱使其范圍變得更加廣泛。即為凝聚態(tài)物理這一名稱的由來。自80年代以來，研究對象的多樣化成為凝聚態(tài)物理發(fā)展的特點(diǎn)之一，如人工超晶格材料、界面、表面材料，以及微粒-9米、薄膜材料等。從中我們可以認(rèn)識到，凝聚態(tài)物理不僅繼承了固體物理學(xué)的傳統(tǒng)內(nèi)容，且擴(kuò)大了研究對象，逐漸形成了一套新的理論體系。

3 近年來凝聚態(tài)物理主要研究方向

隨著現(xiàn)代生活水平的提高，凝聚態(tài)物理在技術(shù)和生產(chǎn)上有越來越廣泛的應(yīng)用前景，它與人們生活的密切相關(guān)，是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。目前凝聚態(tài)物理研究的主要領(lǐng)域和方向包括：（1）納米磁性材料、氧化物磁性薄膜的制備和物性；（2）低維物理、表面的實(shí)驗(yàn)與研究；（3）納米物理，及其與碳納米管相關(guān)的一些物理問題及其應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)與研究；（4）材料物理、材料設(shè)計(jì)，尤其是金屬結(jié)構(gòu)材料中的跨尺度關(guān)聯(lián)、缺陷和數(shù)論反演變換以及材料原子間相互作用勢的發(fā)展；（5）強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的相關(guān)理論；（6）受限小量子系統(tǒng)物理、半導(dǎo)體自旋電子學(xué)和半導(dǎo)體物理的理論研究；（7）計(jì)算凝聚態(tài)物理， 尤其是低維納米體系和凝聚態(tài)體系的電子結(jié)構(gòu)及其輸運(yùn)性質(zhì)相關(guān)研究；（8）低維強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系、高溫超導(dǎo)電性和量子輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)與研究（掃描隧道顯微鏡和輸運(yùn)測量）。

4 凝聚態(tài)物理發(fā)展的展望

我們都知道，凝聚態(tài)物理取得進(jìn)展的關(guān)鍵，正是在于它研究過程中對于實(shí)驗(yàn)和理論的密切配合。任何沒有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的理論都會變成空中樓閣，這符合物理學(xué)研究的規(guī)律。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們可以預(yù)測，很可能在某一段時間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)超前了理論，或者反過來理論超前了實(shí)驗(yàn)。這都是可能出現(xiàn)的現(xiàn)象。對于凝聚態(tài)物理來說，未來凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展的巨大動力將會是實(shí)驗(yàn)技術(shù)的更快發(fā)展，理論和計(jì)算能力的不斷增強(qiáng)，同時，它的外在動力，將會極大程度來自于社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要。凝聚態(tài)物理的發(fā)展將會日新月異。另外，隨著近年來軟凝聚態(tài)物理的快速發(fā)展，它已成為國際上受到普遍重視的新興學(xué)科領(lǐng)域。軟物質(zhì)的研究是物理科學(xué)通向生命科學(xué)的一個重要的橋梁，因?yàn)樵谝欢ǔ潭壬蟻碚f，它橫跨了物理、化學(xué)、生物三大人類社會極其重要的學(xué)科領(lǐng)域。軟物質(zhì)物理學(xué)研究的深入開展對人類社會將會有巨大的影響。筆者相信，軟物質(zhì)物理學(xué)將是未來凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展的重要趨勢。它必然將在未來的時間里為我們的生活帶來更多的改變。

參考文獻(xiàn)

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