凝聚態(tài)物理學(xué)中的基本概念闡述

黃艷秋

摘 要：凝聚態(tài)物理學(xué)作為物理學(xué)的一大分支，其研究前景十分廣泛。凝聚態(tài)物理學(xué)是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)以及它們的微觀結(jié)構(gòu)的學(xué)科。其通過(guò)分析構(gòu)成凝聚態(tài)物質(zhì)的電子、離子、原子、分子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)的物理性質(zhì)進(jìn)行認(rèn)知。凝聚態(tài)物質(zhì)是固體物理學(xué)的一個(gè)拓展方面，研究的物質(zhì)的典型特征之一是其具有多種形態(tài)。同時(shí)，凝聚態(tài)物理學(xué)也為材料研究引入了新的體系。本文就目前凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展情況，對(duì)其中的基本概念的產(chǎn)生、含義及其發(fā)展進(jìn)行闡述。

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

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。

1、基本理論

凝聚態(tài)物理學(xué)基本概念中最重要的基礎(chǔ)則是構(gòu)建這門學(xué)科的理論支撐。其基本理論當(dāng)中的核心即是量子物理和經(jīng)典物理。根據(jù)凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展歷史來(lái)看，量子物理理論推動(dòng)了凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，使其對(duì)眾多實(shí)驗(yàn)研究成為可能。經(jīng)典物理理論在凝聚態(tài)物理學(xué)中并非一無(wú)是處，仍在一些研究方面起著不可忽視的作用。兩種理論知識(shí)在凝聚態(tài)物理學(xué)當(dāng)中的應(yīng)用都存在著自身的適用范圍，下面對(duì)其進(jìn)行比較說(shuō)明。在中學(xué)物理中我們初步了解到，物質(zhì)粒子具有二象性――粒子與波。在粒子的二象性當(dāng)中，粒子所具有的波動(dòng)性使得量子力學(xué)有別與經(jīng)典力學(xué)。二者的適用范圍的界限通常是一些臨界溫度、直徑、場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)）強(qiáng)等方面。

2、凝聚現(xiàn)象

凝聚態(tài)物理學(xué)的基礎(chǔ)概念即是凝聚現(xiàn)象，然而凝聚現(xiàn)象在我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中是隨處可見的。大家都知道，氣體可以凝結(jié)成固體或者是液體，液體和固體之間最明顯的區(qū)別是液體的流動(dòng)性。根據(jù)量子力學(xué)等理論分析，在某些臨界溫度附近，物質(zhì)之間就發(fā)生凝聚現(xiàn)象。發(fā)生凝聚現(xiàn)象的物質(zhì)往往具備一些新的物理性質(zhì)。例如物質(zhì)原有的沸點(diǎn)、導(dǎo)電性、光敏性等發(fā)生改變。

3、凝聚態(tài)物質(zhì)的有序化

根據(jù)中學(xué)物理和化學(xué)的知識(shí)可知，物質(zhì)反應(yīng)在平衡狀態(tài)時(shí)，其系統(tǒng)能量?jī)?nèi)能與熵等因素的影響。系統(tǒng)物質(zhì)內(nèi)能的上升使得系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定性，使得熵值增加。當(dāng)溫度下降時(shí)，凝聚態(tài)物質(zhì)則趨于熵值下降和系統(tǒng)穩(wěn)定，研究發(fā)現(xiàn)，凝聚態(tài)物質(zhì)往往是某一種有序結(jié)構(gòu)的物相。大量物質(zhì)粒子所組成的系統(tǒng)表現(xiàn)出來(lái)的直觀特征即是位置序，這也說(shuō)明不同的粒子直接是存在著相互聯(lián)系的。當(dāng)然，也存在著粒子相互作用較弱的情況，其宏觀表現(xiàn)即是粒子無(wú)序分布。在經(jīng)典粒子系統(tǒng)當(dāng)中，使得系統(tǒng)有序化的物理基礎(chǔ)則是粒子和粒子之間的相互作用，這可當(dāng)作是量子力學(xué)當(dāng)中的一個(gè)問題處理。根據(jù)中學(xué)知識(shí)我們知道，在量子力學(xué)當(dāng)中，物質(zhì)粒子存在著位置不確定性和動(dòng)量不確定性。根據(jù)上述進(jìn)行總結(jié)，凝聚態(tài)物質(zhì)是空間當(dāng)中的凝聚體，而相對(duì)空間往往是分為兩個(gè)方面。一方面是位置形態(tài)空間，另外的一方面是抽象的動(dòng)量空間。凝聚態(tài)物質(zhì)的有序化在這兩個(gè)空間當(dāng)中的存在形態(tài)極為豐富。

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。

凝聚態(tài)物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)，目前量子力學(xué)的發(fā)展已經(jīng)趨于完備。由于凝聚態(tài)物理學(xué)設(shè)計(jì)大量微觀粒子的研究，其復(fù)雜程度較高，需要研究者從實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、推演等方面開展研究。凝聚態(tài)物理學(xué)作為一門高新技術(shù)，其研究前景十分廣闊。只要充分結(jié)合其他相關(guān)學(xué)科知識(shí)，加以探究，一定會(huì)取得更加豐碩的研究成果。