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凝聚态物理学

凝聚态物理学(condensed matter physics)是研究凝聚态物质的物理性质微观结构以及它们之间的关系,即通过研究构成凝聚态物质的电子、离子、原子分子的运动形态和规律,从而认识其物理性质的学科。一方面,它是固体物理学的向外延拓,使研究对象除固体物质以外,还包括许多液态物质,诸如液氦熔盐液态金属,以及液晶乳胶聚合物 等,甚至某些特殊的气态物质,如经玻色-爱因斯坦凝聚的玻色气体和量子简并的费米气体。另一方面,它也引入了新的概念体系,既有利于处理传统固体物理遗留的许多疑难问题,也便于推广应用到一些比常规固体更加复杂的物质。从历史来看,固体物理学创建于20世纪的3040年代,而凝聚态物理学这一名称最早出现于70年代,到了8090年代,它逐渐取代了固体物理学作为学科名称,或者将固体物理学理解为凝聚态物理学的同义词。 [1]

凝聚态物理学是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。其研究层次,从宏观、介观微观,进一步从微观层次统一认识各种凝聚态物理现象;物质维数从三维到低维和分数维;结构从周期到非周期准周期,完整到不完整和近完整;外界环境从常规条件到极端条件和多种极端条件交叉作用,等等,形成了比固体物理学更深刻更普遍的理论体系。经过半个世纪多的发展,凝聚态物理学已成为物理学中最重要、最丰富和最活跃的学科,在诸如半导体、磁学超导体等许多学科领域中的重大成就已在当代高新科学技术领域中起关键性作用,为发展新材料、新器件和新工艺提供了科学基础。前沿研究热点层出不穷,新兴交叉分支学科不断出现是凝聚态物理学的一个重要特点;与生产实践密切联系是它的另一重要特点,许多研究课题经常同时兼有基础研究和开发应用研究的性质,研究成果可望迅速转化为生产力。

凝聚态物理学起源于19世纪固体物理学和低温物理学的发展。19世纪,人们对晶体的认识逐渐深入。1840年法国物理学家A布拉维导出了三维晶体的所有14种排列方式,即布拉维点阵。1912年,德国物理学家冯劳厄发现了X射线在晶体上的衍射,开创了固体物理学的新时代,从此,人们可以通过X射线的衍射条纹研究晶体的微观结构。 [2]

19世纪,英国著名物理学家法拉第在低温下液化了大部分当时已知的气体。1908年,荷兰物理学家H昂内斯将最后一种难以液化的气体氦气液化,创造了人造低温的新纪录-269 °C(4K),并且发现了金属在低温下的超导现象超导具有广阔的应用前景,超导的理论和实验研究在20世纪获得了长足进展,临界转变温度最高纪录不断刷新,超导研究已经成为凝聚态物理学中最热门的领域之一。 [2]

现今凝聚态物理学面临的主要问题高温超导体理论模型 [2]

固体物理学的一个重要的理论基石为能带理论,它是建立在单电子近似的基础上的。而凝聚态物理学的概念体系则渊源于相变临界现象的理论,植根于相互作用多粒子理论,因而具有更加宽阔的视野:既关注处于相变点一侧的有序相,也不忽视处于另一侧的无序相,乃至于两者之间临界区域中体现标度律与普适性的物理行为。 [1]

L.朗道于1937年针对二级相变提出了对称破缺的重要概念,后来成为凝聚态物理学概念体系的主轴。在某一特定的物态之中,某一对称元素的存在与否是不能模棱两可的。当原始相中某一对称元素在变温或变压过程中突然丧失,就意味着发生了相变,出现了有序相。引入序参量用来定性定量地描述有序相和原始相的偏离。一直降到零温(0K),有序相达到基态,而非零温的有序相处于激发态。而激发态有恢复破缺了的对称性的倾向。低能激发态是非定域的,以准粒子的形式出现,被称为元激发的集合。非线性定域化的激发态则称“谶纬”拓扑缺陷。元激发与拓扑缺陷均会对不同的物理性质产生影响。 [1]

物质处在足够高的温度将呈现气态,它是均匀且各向同性的,就统计意义而言,保持了完整的平移旋转对称性,与统辖它的物理定律的对称性相同。降温会使气体凝结成液体,虽则整体的对称性仍然保持不变,但出现了短程序。再降温又使液体凝固成为晶体,平移和旋转的对称性都发生破缺,剩下的对称性属230个空间群中的一个。固体丰富多彩的物性是和对称破缺密切相关,而具有诱人兴趣物性的液体也多半是液晶或复杂液体,也和某种对称破缺有关。晶态中的元激发为晶格振动声子,是理解固体的热学性质的关键,晶态中的拓扑缺陷为位错,是理解固体的塑性与强度的关键。 [1]

凝聚态物理学的基本任务在于阐明微观结构与物性的关系,因而判断构成凝聚态物质的某些类型微观粒子的集体是否呈现量子特征(波粒二象性)是至关紧要的。电子质量小,常温下明显地呈现量子特征;离子或原子则由于质量较重,只有低温下(约4K)的液氦或极低温下(μK至nK)的碱金属稀薄气体,原子的量子特征才突出地表现出来。这也说明为何低温条件对凝聚态物理学的研究十分重要。微观粒子分为两类:一类是费米子,具有半整数的自旋,服从泡利不相容原理;另一类是玻色子,具有整数的自旋,同一能态容许任意数的粒子占据。这两类粒子的物理行为判然有别。 [1]

固体电子论

对固体中电子行为的研究一直是固体物理学的核心问题。凝聚态物理学中情况依然如此。固体中电子的行为可按电子间相互作用的大小,分为三个区域。 [1]
  ①弱关联区。基于电子受晶格上离子散射的能带理论,为固体中电子行为提供了合适的理论框架,应用于半导体和简单金属已取得非凡的成功,也构成半导体物理学的理论基础。 [1]
  ②中等关联区。包括一般金属和强磁性物质。朗道的费米液体理论成功地描述了一般金属以及低温下3He液体中的元激发及物理行为。W.科恩等发展的密度泛函理论则提供了高效计算复杂结构材料电子结构的理论框架。电子之间的交换相互作用(包括直接、间接、超交换、双交换及巡游交换)导致了磁有序相(铁磁体、反铁磁体及更铁磁体)的形成。有关磁有序相的激发态(磁振子磁畴)又提供了理解其物理参数和磁化曲线的契机,构成了铁磁学的物理基础。 [1]
  ③强关联区。涉及电子浓度甚低的不良金属。能带理论建立不久,E.维格纳就设想库仑斥力使电子定域于维格纳晶格上,接着N.莫脱认为NiO这类氧化物是因关联导致的绝缘体,即莫脱绝缘体。20世纪60年代近藤对于稀磁合金中电阻极小现象作了理论解释,称为近藤效应。8090年代在一系列掺杂莫脱绝缘体中发现了奇异的物性,如铜氧化物中发现高温超导体、锰氧化物中发现巨磁电阻效应等。另外,还在与近藤效应有关的镧系锕系重电子合金中发现了多种有序相和反常的物性。对上述各类的强关联物质中的物性问题研究,尚未得到圆满解决。 [1]

宏观量子态

低温物理学研究的重大成果在于发现了金属与合金中的超导现象(电阻在Tc以下突降为零,磁通全部被斥,成为完全抗磁体)和液氦中的超流现象黏滞系数Tc以下突降为零)。这些宏观量子态现象的出现是规范对称性波函数相位可为任意值)破缺的后果。早在1924年爱因斯坦就根据玻色-爱因斯坦统计提出了玻色-爱因斯坦凝聚的设想,即理想的玻色气体在低温下会出现基态为宏观的粒子数所占。4He原子是玻色子,因而在4He超流发现之后,F.伦敦就提出超流态是玻色爱因斯坦凝聚的结果。而伦敦所提出的描述超导电动力学伦敦方程实际上就蕴含了宏观量子态的概念。1952年V.京茨堡与L.朗道提出的唯象超导理论就明确地引入了类似于宏观波函数的复序参量来描述超导态。1957年J.巴丁等提出了正确的超导微观理论,即BCS理论,其关键在于一对电子在动量空间由于电子声子相互作用而形成库珀对,从而使电子系统也具有某些类似于玻色子系统的特征。1972年在2.7mK以下发现了3He超流态,3He原子也是费米子,所以这也是费米子配对的结果。从序参量的对称性可以判断配对态的特性:常规超导体是s波配对的自旋单态,高温超导体是d波配对的自旋单态,3He超流体是p波配对的自旋三态,具有磁性。还有一些疑似p波配对的非常规超导体,正在研究之中。非常规超导体的机制也尚待澄清。1995年E.科纳尔等在将稀薄87Rb气体冷却到极低温(<μK)实现了玻色爱因斯坦凝聚,这就将凝聚态物理学的研究领域扩充到极低温下的稀薄气体。 [1]

纳米结构与介观物理

由于对于一些简单材料的物性已经比较清楚,从20世纪中叶开始就致力于将不同的材料按特定的结构尺度(关联于物性的某一特征长度)来组织成材料与器件的复合体,从而获得优异的物理性能。如果所选的结构尺度在纳米范围(1100纳米)之内,即为纳米结构。20世纪末这一领域引起学术界和社会上的广泛重视。 [1]
  量子力学认为粒子可穿过纳米尺度的势垒而呈现隧道效应。利用这一效应可制备隧道结这类夹层结构,诸如半导体隧道二极管、单电子超导隧道结、库珀对超导隧道结。后者体现了约瑟夫森效应已成为超导电子学的核心器件。利用与自旋相关的隧道效应,则已制出具有隧道磁电阻的磁存储器。 [1]
  复合结构若进入电子费米波长的范围,就呈现量子限制效应,导致了量子阱量子线量子点。半导体量子阱已用来制备快速晶体管和高效激光器。量子线的研究也卓有成效,纳米碳管所揭示的丰富多彩的物性就是明证。量子点则可用以制备微腔激光器单电子晶体管。利用铁磁金属与非磁金属可制成磁量子阱,呈现巨磁电阻效应,可用作存储器的读出磁头。这些事例说明了纳米电子学(包括自旋电子学)将成为固体电子学光子学的发展主流。 [1]
  纳米结构基础研究中也发挥了十分重要的作用:在两维电子气中发现了整数和分数量子霍耳效应以及维格纳晶格,在一维导体中验证了卢廷格液体的理论,在一些人工纳米结构中发现了介观量子输运现象。 [1]

软物质物理学

软物质又称为复杂液体,是介于固体与液体之间的物相液晶乳胶聚合物等均属此类。软物质大都是有机物质,虽然在原子尺度上是无序的,但在介观尺度上则可能出现某种规则而有序的结构。如液晶分子是杆状的,尽管其质心不具有位置序,但杆的取向却可能是有序的。又如聚合物是由柔软的长链分子所构成,由于长程无序的关联性,因而遵循了类似于临界现象的标度律。20世纪7080年代液晶物理学聚合物物理学的建立,使凝聚态物理学从传统的硬物质成功地延拓到软物质。软物质在微小的外界刺激(温度、外场或外力)下有显著的响应是其物性的特征,从而产生明显的实用效果。一颗纽扣电池可驱动液晶手表数年之久,就是证明。软物质变化过程中内能变化甚微,的变化十分显著,因而其组织结构的变化主要由熵来驱动,和内能驱动的硬物质迥然有别。熵致有序和熵致形变乃是软物质自组装的物理基础。 [1]
  有机物质(小分子和聚合物)的电子结构与电子性质也受到广泛的重视。有机发光器件和电子器件正在研制开发之中。 [1]

凝聚态物理学的研究热点:①1984年发现准晶态;②1986年发现高温超导体YBaCuO2钇钡铜氧化物);③1984年建立纳米科学;④1992年发现材料LaSrMnO3巨磁阻效应;⑤2001年发现新的高温超导材料MgB2

凝聚态物理学的理论基础是量子力学,基本上已经完备而成熟。但由于这里涉及大量(趋于1023微观粒子的体系,而且研究对象进一步复杂化,新结构、新现象和新机制依然层出不穷,需要从实验、理论和计算上的探索,仍构成对人类智力的强有力的挑战。 [1]
  凝聚态物理学和高新技术的发展关系密切。信息、材料和能源技术在21世纪所面临的挑战将给凝聚态物理学的进一步发展提供机遇。凝聚态物理学还在学科交叉中大有可为。随着凝聚态物理学日益深入到复杂结构的物质。它和化学之间的交叉渗透也愈来愈明显,甚至学科间的分界线已趋于模糊。它和生物学之间的交叉渗透也日新月异,既有实验技术上的相互支持,又有机制理论上的共同探索。 [1]

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