当今凝聚态物理研究的主要几个分支及研究进展

张翠萍

（本溪广播电视大学理工学院，辽宁 本溪 117000）

当今凝聚态物理研究的主要几个分支及研究进展

张翠萍

（本溪广播电视大学理工学院，辽宁 本溪 117000）

本文通过对凝聚态物理固体电子论中的关联区、宏观量子态、介观物理与纳米结构和软物质物理学这几个分支研究的一些内容还有对当今凝聚态物理研究的一些现象及其理论方法和已经取得的一些成就连同它们在器件和材料方面产生的作用和对未来影响的阐述，给出了这一基础学科对科学技术的影响和贡献，表明了凝聚态物理对现代科技的作用。

凝聚态物理；关联区；量子态；理论方法

凝聚态物理学是当今物理学中最大也是最重要的分支学科之一，它是从微观角度出发，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，因此建立起既深刻又普遍的理论体系，是当前物理学中最重要、最丰富和最活跃的学科，在许多学科领域中的重大成就已在当今高新科学技术领域中起了关键性作用，为发展新材料、新器件和新工艺提供了科学基础。凝聚态物理一方面与粒子物理学在概念上的发展相互渗透，对一些最基本的问题给出启示；另一方面为新型材料的研发和制备提供理论上和实验上的支持，与工科的技术学科衔接构成科学上最有实用性的拓新领域。那么，当今凝聚态物理主要研究哪些分支内容？使用什么样的理论方法？这些研究在哪些方面有所成就？

一、凝聚态物理当今主要研究的一些分支内容

凝聚态指的是由大量粒子组成且粒子间有很强相互作用的系统。固态和液态是最常见的凝聚态，低温下的超流态、超导态、玻色-爱因斯坦凝聚态、磁介质中的铁磁态、反铁磁态等，也都是凝聚态。凝聚态物理是属于偏应用的交叉学科，研究方向和分支很多，基本任务是阐明微观结构与物理性质的关系。传统的凝聚态物理主要研究半导体、磁学、超导体等，现今凝聚态物理学研究的理论内容十分广泛，以下是其中较活跃的几个分支：

1.固体电子论中的关联区

研究固体中的电子行为，是凝聚态物理的前身固体物理学的核心问题。按电子间相互作用的大小，固体中电子的行为分成3个区域，它们分别是弱关联区、中等关联区和强关联区。弱关联区的研究基于电子受晶格上离子散射的能带理论，应用于半导体和简单金属，构成了半导体物理学的理论基础；中等关联区的研究包括一般金属和强磁性物质，是构成铁磁学的物理基础；强关联区则涉及电子浓度很低的不良金属，诸如莫脱绝缘体、近藤效应、巨磁电阻效应等，它们的物理性质问题尚未得到很好地解决。

现今对固体电子论的研究比较注重的是强关联系统。

2.宏观量子态

用量子力学描述宏观体系的状态称为宏观量子态，如超导中电子的库珀对。超导现象是电阻在临界转变温度Tc以下突然降为零，磁通全部被斥，成为完全抗磁体，超流现象是当液氦（4He）的温度降到2.17K时，由正常流体突然转变为具有一系列极不寻常的性质的“超流体”。宏观量子态具有典型的量子力学性质，如势垒隧道穿越和位相相干等。当前量子力学研究的重要课题是退相干现象和耗散现象。

3.介观物理与纳米结构

介观是介于宏观与微观之间的一种体系，处于介观的物体的尺寸可以说是宏观的，因而具有宏观体系的特点；但是由于其中电子运动的相干性，会出现一系列新的与量子力学相位相联系的干涉现象，这又与微观体系相似，故称“介观”。介观物理学所研究的物质尺度和纳米科技的研究尺度有很大重合，所以这一领域的研究常被称为“介观物理和纳米科技”。

为获取更优异的物理性能，凝聚态物理界从20世纪中期开始注重将材料按特定的结构尺度组织成复合体，若结构尺度在1nm～100nm范围内，即为纳米结构，它在基础研究中发挥的重要的作用是：在两维电子气中发现了整数量子霍尔效应、分数量子霍耳效应和维格纳晶格，在一维导体中验证了卢廷格液体的理论，在一些人工的纳米结构中发现了介观量子输运现象。在未来的一段时期内，纳米电子学和自旋电子学将成为固体电子学和光子学的发展主流。

4.软物质物理学

1991年被提出的软物质也被称为复杂液体，它是介于固体与液体之间的物相，一般由大分子或基团组成，诸如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系物质诸如DNA、细胞、体液、蛋白质等都属于这类物质，它们中大多数都是有机物质，在原子的尺度上是无序的，在介观的尺度上则可能出现某种规则而有序的结构。软物质在变化过程中内能的变化很微小，熵的变化却很大，因而其组织结构的变化主要是由熵来驱动，和内能驱动的硬物质不同。有机物质中的小分子和聚合物的电子结构与电子性质现在正受到重视，因此有机发光器件和电子器件正在研制开发中。

二、当今凝聚态物理研究的一些现象及其理论方法

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与临界现象的理论，植根于相互作用的多粒子理论。凝聚态物理学的理论基础是量子力学，基本上已经完备且成熟。

当前常用的一些理论方法：第一性原理（特指密度泛函理论计算），蒙特-卡洛方法，玻尔兹曼模型，分子动力学模拟，伊辛模型，有效场，平均场等等。

当前被研究的一些现象：光谱，超导，霍尔效应，弱相互作用，电阻（巨磁电阻，庞磁电阻），磁性研究（磁阻，微磁学，铁磁性，巨磁阻抗效应，相图），多向异性，子晶格，态密度，能隙，强关联、激发态，量子通信，冷原子、物理进展等等。

第一性原理方法是根据原子核与电子相互作用及其基本运动的规律，运用量子力学原理从哈密顿量出发，近似处理后进行求解薛定谔方程的方法，它能给出体系的电子结构性质等相关信息，能描述化学键的断裂、重组，以及电子的重排而被很多人多热衷。

蒙特-卡罗方法也被称统计模拟方法，是以概率统计理论为基础的使用随机数来进行数值计算的方法一类数值计算方法，它是以事件出现的频率估算随机事件的概率，并将这个结果作为问题的解。

伊辛模型是描述分子之间有较强相互作用的系统发生相变情况的模型。通常使用有效场理论、平均场理论和蒙特·卡罗方法来研究它。

三、当今凝聚态物理研究的一些成就

凝聚态物理当今在器件方面取得的两方面主要成就是太阳能电池和纳米器件。在材料方面取得的一些成就有：纳米材料，电子陶瓷材料，拓扑绝缘材料，碳材料（石墨烯，石墨炔，碳化锗薄膜等），复合热电材料，自旋液体、超导体，超材料，薄膜材料。

上边所列的这些成就中，拓扑绝缘体的边界或表面总是存在导电的边缘态，这有望于制造未来新型电脑芯片等元器件。自旋液体描述物质中的一种特殊自旋排布状态，材料的作用能支持某些奇异的超导性或将一些像粒子一样拥有电荷的实体组织起来。石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，而且它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。当今对石墨炔衍生物的研究逐渐成为研究热点，研究者们积极地设计可能的石墨炔衍生物并预测其物理性质。如研究BN掺杂的石墨炔系列结构的稳定性与电子结构，发现它的性质与硼氮元素掺杂的浓度和位置紧密相关；N掺杂石墨炔可充当氧还原反应的无金属电催化剂；氟化作用可调节石墨炔带隙宽度，这使得石墨炔在纳米电子设备的使用上使其有灵活性；分别在石墨二炔和α-石墨炔中掺入硅和锗的结果是碳硅元素以及碳锗元素之间可以形成稳定的炔键结构，并且其带隙值明显加宽。总之，设计实现这些新的碳锗材料，不仅可以丰富碳相关材料的数据库，而且可以为电子设备、气体分离薄膜、储能材料、锂离子电池电极材料等方面提供可选的对象。

还有，利用粒子的隧道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。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。半导体量子阱已用来制备快速晶体管和高效激光器。量子点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等等。

结论

有人说：“没有量子力学就没有手机和电脑，就没有现今互联网的普及。”从这句话中可以看出更确凿的事实：基础科学一直是科学技术发展的基础和推手，凝聚态物理在理论上的发展一方面诠释客观物质世界存在的现象，一方面又能预测人类将能解决的客观问题；而它在实验上的发展则是根据其理论上建立的模型给予验证并因此揭示客观事物的实质与规律，且据此来建立并整合理论结果和实验结果与实用技术之间的联系，使得这些客观事物及其规律最终为人类所利用。

［1］段文晖，陈曦.清华大学凝聚态物理学科的发展历史和最新研究进展［J］.中国科学，2011（4）：493-500.

［2］叶飞，苏刚.拓扑绝缘体及其研究进展［J］.物理，2010，39（8）：564-569.

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