當今凝聚態物理研究的主要幾個分支及研究進展

張翠萍

（本溪廣播電視大學理工學院，遼寧 本溪 117000）

當今凝聚態物理研究的主要幾個分支及研究進展

張翠萍

（本溪廣播電視大學理工學院，遼寧 本溪 117000）

本文通過對凝聚態物理固體電子論中的關聯區、宏觀量子態、介觀物理與納米結構和軟物質物理學這幾個分支研究的一些內容還有對當今凝聚態物理研究的一些現象及其理論方法和已經取得的一些成就連同它們在器件和材料方面產生的作用和對未來影響的闡述，給出了這一基礎學科對科學技術的影響和貢獻，表明了凝聚態物理對現代科技的作用。

凝聚態物理；關聯區；量子態；理論方法

凝聚態物理學是當今物理學中最大也是最重要的分支學科之一，它是從微觀角度出發，研究凝聚態物質的物理性質、微觀結構以及它們之間的關系，因此建立起既深刻又普遍的理論體系，是當前物理學中最重要、最豐富和最活躍的學科，在許多學科領域中的重大成就已在當今高新科學技術領域中起了關鍵性作用，為發展新材料、新器件和新工藝提供了科學基礎。凝聚態物理一方面與粒子物理學在概念上的發展相互滲透，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和制備提供理論上和實驗上的支持，與工科的技術學科銜接構成科學上最有實用性的拓新領域。那么，當今凝聚態物理主要研究哪些分支內容？使用什么樣的理論方法？這些研究在哪些方面有所成就？

一、凝聚態物理當今主要研究的一些分支內容

凝聚態指的是由大量粒子組成且粒子間有很強相互作用的系統。固態和液態是最常見的凝聚態，低溫下的超流態、超導態、玻色-愛因斯坦凝聚態、磁介質中的鐵磁態、反鐵磁態等，也都是凝聚態。凝聚態物理是屬于偏應用的交叉學科，研究方向和分支很多，基本任務是闡明微觀結構與物理性質的關系。傳統的凝聚態物理主要研究半導體、磁學、超導體等，現今凝聚態物理學研究的理論內容十分廣泛，以下是其中較活躍的幾個分支：

1.固體電子論中的關聯區

研究固體中的電子行為，是凝聚態物理的前身固體物理學的核心問題。按電子間相互作用的大小，固體中電子的行為分成3個區域，它們分別是弱關聯區、中等關聯區和強關聯區。弱關聯區的研究基于電子受晶格上離子散射的能帶理論，應用于半導體和簡單金屬，構成了半導體物理學的理論基礎；中等關聯區的研究包括一般金屬和強磁性物質，是構成鐵磁學的物理基礎；強關聯區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、巨磁電阻效應等，它們的物理性質問題尚未得到很好地解決。

現今對固體電子論的研究比較注重的是強關聯系統。

2.宏觀量子態

用量子力學描述宏觀體系的狀態稱為宏觀量子態，如超導中電子的庫珀對。超導現象是電阻在臨界轉變溫度Tc以下突然降為零，磁通全部被斥，成為完全抗磁體，超流現象是當液氦（4He）的溫度降到2.17K時，由正常流體突然轉變為具有一系列極不尋常的性質的“超流體”。宏觀量子態具有典型的量子力學性質，如勢壘隧道穿越和位相相干等。當前量子力學研究的重要課題是退相干現象和耗散現象。

3.介觀物理與納米結構

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；但是由于其中電子運動的相干性，會出現一系列新的與量子力學相位相聯系的干涉現象，這又與微觀體系相似，故稱“介觀”。介觀物理學所研究的物質尺度和納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一領域的研究常被稱為“介觀物理和納米科技”。

為獲取更優異的物理性能，凝聚態物理界從20世紀中期開始注重將材料按特定的結構尺度組織成復合體，若結構尺度在1nm～100nm范圍內，即為納米結構，它在基礎研究中發揮的重要的作用是：在兩維電子氣中發現了整數量子霍爾效應、分數量子霍耳效應和維格納晶格，在一維導體中驗證了盧廷格液體的理論，在一些人工的納米結構中發現了介觀量子輸運現象。在未來的一段時期內，納米電子學和自旋電子學將成為固體電子學和光子學的發展主流。

4.軟物質物理學

1991年被提出的軟物質也被稱為復雜液體，它是介于固體與液體之間的物相，一般由大分子或基團組成，諸如液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質、生命體系物質諸如DNA、細胞、體液、蛋白質等都屬于這類物質，它們中大多數都是有機物質，在原子的尺度上是無序的，在介觀的尺度上則可能出現某種規則而有序的結構。軟物質在變化過程中內能的變化很微小，熵的變化卻很大，因而其組織結構的變化主要是由熵來驅動，和內能驅動的硬物質不同。有機物質中的小分子和聚合物的電子結構與電子性質現在正受到重視，因此有機發光器件和電子器件正在研制開發中。

二、當今凝聚態物理研究的一些現象及其理論方法

固體物理學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上的。而凝聚態物理學的概念體系則淵源于相變與臨界現象的理論，植根于相互作用的多粒子理論。凝聚態物理學的理論基礎是量子力學，基本上已經完備且成熟。

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

當前被研究的一些現象：光譜，超導，霍爾效應，弱相互作用，電阻（巨磁電阻，龐磁電阻），磁性研究（磁阻，微磁學，鐵磁性，巨磁阻抗效應，相圖），多向異性，子晶格，態密度，能隙，強關聯、激發態，量子通信，冷原子、物理進展等等。

第一性原理方法是根據原子核與電子相互作用及其基本運動的規律，運用量子力學原理從哈密頓量出發，近似處理后進行求解薛定諤方程的方法，它能給出體系的電子結構性質等相關信息，能描述化學鍵的斷裂、重組，以及電子的重排而被很多人多熱衷。

蒙特-卡羅方法也被稱統計模擬方法，是以概率統計理論為基礎的使用隨機數來進行數值計算的方法一類數值計算方法，它是以事件出現的頻率估算隨機事件的概率，并將這個結果作為問題的解。

伊辛模型是描述分子之間有較強相互作用的系統發生相變情況的模型。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、當今凝聚態物理研究的一些成就

凝聚態物理當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，拓撲絕緣材料，碳材料（石墨烯，石墨炔，碳化鍺薄膜等），復合熱電材料，自旋液體、超導體，超材料，薄膜材料。

上邊所列的這些成就中，拓撲絕緣體的邊界或表面總是存在導電的邊緣態，這有望于制造未來新型電腦芯片等元器件。自旋液體描述物質中的一種特殊自旋排布狀態，材料的作用能支持某些奇異的超導性或將一些像粒子一樣擁有電荷的實體組織起來。石墨烯是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，目前最有潛力的應用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機，而且它非常適合作為透明電子產品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。當今對石墨炔衍生物的研究逐漸成為研究熱點，研究者們積極地設計可能的石墨炔衍生物并預測其物理性質。如研究BN摻雜的石墨炔系列結構的穩定性與電子結構，發現它的性質與硼氮元素摻雜的濃度和位置緊密相關；N摻雜石墨炔可充當氧還原反應的無金屬電催化劑；氟化作用可調節石墨炔帶隙寬度，這使得石墨炔在納米電子設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果是碳硅元素以及碳鍺元素之間可以形成穩定的炔鍵結構，并且其帶隙值明顯加寬。總之，設計實現這些新的碳鍺材料，不僅可以豐富碳相關材料的數據庫，而且可以為電子設備、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可制備隧道結這類夾層結構，諸如半導體隧道二極管、單電子超導隧道結、庫珀對超導隧道結。利用與自旋相關的隧道效應，則已制出具有隧道磁電阻的磁存儲器。半導體量子阱已用來制備快速晶體管和高效激光器。量子點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，呈現巨磁電阻效應，可用作存儲器的讀出磁頭等等。

結論

有人說：“沒有量子力學就沒有手機和電腦，就沒有現今互聯網的普及。”從這句話中可以看出更確鑿的事實：基礎科學一直是科學技術發展的基礎和推手，凝聚態物理在理論上的發展一方面詮釋客觀物質世界存在的現象，一方面又能預測人類將能解決的客觀問題；而它在實驗上的發展則是根據其理論上建立的模型給予驗證并因此揭示客觀事物的實質與規律，且據此來建立并整合理論結果和實驗結果與實用技術之間的聯系，使得這些客觀事物及其規律最終為人類所利用。

［1］段文暉，陳曦.清華大學凝聚態物理學科的發展歷史和最新研究進展［J］.中國科學，2011（4）：493-500.

［2］葉飛，蘇剛.拓撲絕緣體及其研究進展［J］.物理，2010，39（8）：564-569.

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