凝聚態物理

凝聚態物理

凝聚態物理學(condensed matter physics)是從微觀角度出發,研究由大量粒子(原子、分子、離子、電子)組成的凝聚態的結構、動力學過程及其與巨觀物理性質之間的聯系的一門學科。凝聚態物理是以固體物理為基礎的外向延拓。

​基本概況

凝聚態物理學是從微觀角度出發,研究由大量粒子(原子、分子、離子、電子)組成的凝聚態的結構、動力學過程及其與巨觀物理性質之間的聯系的一門學科。凝聚態物理是以固體物理為基礎的外向延拓。

凝聚態物理凝聚態物理

凝聚態物理的研究對象除晶體、非晶體與準晶體等固相物質外還包括從稠密氣體、液體以及介于液態和固態之間的各類居間凝聚相,例如液氦、液晶、熔鹽、液態屬、電解液、玻璃、凝膠等。

經過半個世紀的發展,目前已形成了比固體物理學更廣泛更深入的理論體系。特別是八十年代以來,凝聚態物理學取得了巨大進展,研究對象日益擴展,更為復雜。一方面傳統的固體物理各個分支如金屬物理、半導體物理、磁學、低溫物理和電介質物理等的研究更深入,各分支之間的聯系更趨密切;另一方面許多新的分支不斷涌現,如強關聯電子體系物理學、無序體系物理學、準晶物理學、介觀物理與團簇物理等。從而使凝聚態物理學成為當前物理學中最重要的分支學科之一,從事凝聚態研究的人數在物理學家中首屈一指,每年發表的論文數在物理學的各個分支中居領先位置。目前凝聚態物理學正處在枝繁葉茂的興旺時期。並且,由于凝聚態物理的基礎性研究往往與實際的技術套用有著緊密的聯系,凝聚態物理學的成果是一系列新技術、新材料和新器件,在當今世界的高新科技領域起著關鍵性的不可替代的作用。近年來凝聚態物理學的研究成果、研究方法和技術日益向相鄰學科滲透、擴展,有力的促進了諸如化學、物理、生物物理和地球物理等交叉學科的發展。

​研究範圍

研究凝聚態物質的原子之間的結構、電子態結構以及相關的各種物理性質。研究領域包括固體物理、晶體物理、金屬物理、半導體物理、電介質物理、磁學、固體光學性質、低溫物理與超導電性、高壓物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低維物理(包括薄膜物理、表面與介面物理和高分子物理)、液體物理、微結構物理(包括介觀物理與原子簇)、缺陷與相變物理、納米材料和準晶等。

漢語中“凝聚”一詞是由“凝”字雙音演化而來的。“凝”在東漢許慎的“說文解字”一書中同“冰”,指的是水結成凍的過程。可見我們的祖先最初對凝聚現象的註意可能始于對水的觀察,特別是水從液態到固態的現象。英語的condense來源于法語,後者又來源于拉丁文,指的是密度變大,從氣或蒸汽變液體。看來西方人對凝聚現象的註意可能始于對氣體的觀察,特別是水汽從氣態到液態的現象。這是很有意思的差別,大概與各自的古代自然生活環境和生活習慣有關。不過東西方二者原始意義的結合,恰恰就是今天凝聚態物理主要研究的對象—液態和固態。當然從科學的含義上來說,二者不是截然分開的。所以凝聚態物理還研究介于這二者之間的態。例如液晶等。液態和固態物質一般都是由量級為1023的極大數量微觀粒子組成的非常復雜的系統。凝聚態物理正是從微觀角度出發,研究這些相互作用多粒子系統組成的物質的結構、動力學過程及其與巨觀物理性質之間關系的一門學科。

眾所周知,復雜多樣的物質形態基本上分成三類:氣態、液態和固態,在這三種物態中,凝聚態物理研究的對象就佔了二個,這就決定了這門學科的每一步進展都與我們人類的生活休戚相關。從傳統的各種金屬、合金到新型的各種半導體、超導材料,從玻璃、陶瓷到各種聚合物和復合材料,從各種光學晶體到各種液晶材料等等;所有這些材料所涉及到的聲、光、電、磁、熱等特徵都是建立在凝聚態物理研究的基礎上的。凝聚態物理研究還直接為許多高科學技術本身提供了基礎。當今正蓬勃發展著的微電子技術、雷射技術、光電子技術和光纖通訊技術等等都密切聯系著凝聚態物理的研究和發展。

凝聚態物理以萬物皆成于原子為宗旨,以量子力學為基礎研究各種凝聚態,這是一個非常雄心勃勃的舉措。凝聚態物理這個學科名稱的誕生僅僅是最近幾十年的事。如果追尋一下它的淵源。應該說出自于對固態中晶態固體的研究和對液態中量子液體的研究。在對這二種特殊態的長期研究中,人們積累了一些經驗,也建立起了一些信心,並逐步把一些已有的方法推廣用于非晶態和液晶乃至液態的研究,從而大大拓寬了視野,逐步形成了凝聚態物理。

今天,凝聚態物理的視野還在繼續開拓。然而作為淵源的二種凝聚態即晶態固體和量子液體,時至今日仍然是它主要的研究對象,內容當然越來越豐富了,考慮的問題也越來越深入了。畢竟我們面臨的是同一個自然界,許多現象和規律是普適的。人們正是通過對一系列特殊態的深入研究來逐步認識和掌握那些普適的規律。

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