凝聚态物理：从微观粒子到宏观世界的桥梁
凝聚态物理：从微观粒子到宏观世界的桥梁
凝聚态物理是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一，它研究由大量粒子（原子、分子、离子、电子）组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系。从半导体、磁学到超导体，凝聚态物理在当代高新技术领域中起着关键性作用。
基础定义
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、介观到微观，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和准周期，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。
演绎过程
起源发展
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。
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。
现今凝聚态物理学面临的主要问题高温超导体的理论模型。
汉语释义
汉语中“凝聚”一词是由“凝”字双音演化而来的。“凝”在东汉许慎的“说文解字”一书中同“冰”，指的是水结成冰的过程。可见我们的祖先最初对凝聚现象的注意可能始于对水的观察，特别是水从液态到固态的现象。英语的condense来源于法语，后者又来源于拉丁文，指的是密度变大，从气或蒸汽变液体。看来西方人对凝聚现象的注意可能始于对气体的观察，特别是水汽从气态到液态的现象。这是很有意思的差别，大概与各自的古代自然生活环境和生活习惯有关。不过东西方二者原始意义的结合，恰恰就是今天凝聚态物理主要研究的对象—液态和固态。当然从科学的含义上来说，二者不是截然分开的。所以凝聚态物理还研究介于这二者之间的态。例如液晶等。液态和固态物质一般都是由量级为10^23的极大数量微观粒子组成的非常复杂的系统。凝聚态物理正是从微观角度出发，研究这些相互作用多粒子系统组成的物质的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间关系的一门学科。
研究对象
凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶等。经过半个世纪的发展，凝聚态物理学取得了巨大进展，研究对象日益扩展，更为复杂。一方面传统的固体物理各个分支如金属物理、半导体物理、磁学、低温物理和电介质物理等的研究更深入，各分支之间的联系更趋密切；另一方面许多新的分支不断涌现，如强关联电子体系物理学、无序体系物理学、准晶物理学、介观物理与团簇物理等。从而使凝聚态物理学成为当前物理学中最重要的分支学科之一，从事凝聚态研究的人数在物理学家中首屈一指，每年发表的论文数在物理学的各个分支中居领先位置。有力的促进了诸如化学、物理、生物物理学和地球物理等交叉学科的发展。
研究范围
研究凝聚态物质的原子之间的结构、电子态结构以及相关的各种物理性质。研究领域包括固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理（包括薄膜物理、表面与界面物理和高分子物理）、液体物理、微结构物理（包括介观物理与原子簇）、缺陷与相变物理、纳米材料和准晶等。
研究信息
众所周知，复杂多样的物质形态基本上分成三类：气态、液态和固态，在这三种物态中，凝聚态物理研究的对象就占了二个，这就决定了这门学科的每一步进展都与我们人类的生活休戚相关。从传统的各种金属、合金到新型的各种半导体、超导材料，从玻璃、陶瓷到各种聚合物和复合材料，从各种光学晶体到各种液晶材料等等；所有这些材料所涉及到的声、光、电、磁、热等特性都是建立在凝聚态物理研究的基础上的。凝聚态物理研究还直接为许多高科学技术本身提供了基础。当今正蓬勃发展着的微电子技术、激光技术、光电子技术和光纤通讯技术等等都密切联系着凝聚态物理的研究和发展。
凝聚态物理以万物皆成于原子为宗旨，以量子力学为基础研究各种凝聚态，这是一个非常雄心勃勃的举措。应该说出自于对固态中晶态固体的研究和对液态中量子液体的研究。在对这二种特殊态的长期研究中，人们积累了一些经验，也建立起了一些信心，并逐步把一些已有的方法推广用于非晶态和液晶乃至液态的研究，从而大大拓宽了视野，逐步形成了凝聚态物理。
今天，凝聚态物理的视野还在继续开拓。然而作为渊源的二种凝聚态即晶态固体和量子液体，时至今日仍然是它主要的研究对象，内容当然越来越丰富了，考虑的问题也越来越深入了。毕竟我们面临的是同一个自然界，许多现象和规律是普适的。人们正是通过对一系列特殊态的深入研究来逐步认识和掌握那些普适的规律。
研究内容
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。
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。
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中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（磁振子与磁畴）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。
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年代近藤淳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。80—90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和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。
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（黏滞系数在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的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。
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（1—100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。
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。
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、量子线与量子点。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和单电子晶体管。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）将成为固体电子学和光子学的发展主流。
纳米结构在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。
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70—80年代液晶物理学和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，熵的变化十分显著，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。
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。
研究热点
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的巨磁阻效应；⑤2001年发现新的高温超导材料MgB2。
专业前景
有力的促进了诸如化学、物理、生物物理和地球物理等交叉学科的发展，与此相应此专业的相关人才应用范围很广，前景还是很乐观的。本专业的硕士毕业生主要就业方向是高等院校、科研院所和高科技公司，做研究员、工程师、技术骨干等等。
发展方向
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。
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。