凝聚态物理学中的基本概念

李晗宇

摘 要：文章分析了凝聚态物理学这一学科的历史沿革和它在当代的发展现状，介绍了凝聚态物理学的理论基础，集中分析了凝聚态物理学的研究内容，提出凝聚态物理学在当代以及未来的发展方向，旨在解释清楚凝聚态物理学的概念，帮助学生学习、理解相关内容。

关键词：凝聚态物理学；固体物理学；基本概念

中图分类号：O469 文献标识码：A

一、凝聚态物理学的起源和发展

1.凝聚态物理学的起源

凝聚态物理学的前身是固体物理学，固体物理学的研究对象是固体，包括它的物理性质、微观结构、各种内部运动以及彼此之間的关系。固体物理学的一个重要的理论基石为建立在单电子近似的基础上的能带理论，于1928年由布洛赫研究提出，周期结构中波的传播是能带理论的核心概念，基本建立了固体物理学的理论范式。

2.凝聚态物理学的发展

凝聚态物理学诞生于19世纪70年代，在19世纪80至90年代之间逐步发展，最终取代固体物理学这个概念。凝聚态物理学的诞生弥补了当时固体物理学研究存在的不足之处。

凝聚态物理学从微观的角度研究凝聚态物质的物理性质、结构和各种运动以及彼此之间的关系。凝聚态物理学的理论基础是相互作用多粒子理论，与固体物理学相比，凝聚态物理学的研究除了扩大研究对象范围，还有一些概念的迁移和发展。

二、凝聚态物理学的理论基础

凝聚态物理学以固体物理学研究为基础，L·朗道和P·安德森这两位科学家对凝聚态物理学的发展具有重要的影响。L·朗道提出了凝聚态物理学的主要的理论范式即对称性破缺，并引入序参量和元激发，使之普遍化。P·安德森在研究著作中强调了对称破缺和元激发的重要性，并补充提出了广义刚度、重正化群等理论。

三、凝聚态物理学的研究内容

凝聚物理学主要研究物质的微观结构与物理性质的相互关系，研究内容较为广泛。

1.固体电子论

电子在固体中的行为是固体物理学长期研究的对象，也是凝聚态物理学的主要研究内容，电子在固体中的运动相互作用大小不同，主要包括三个区域：弱关联区，形成半导体物理学的研究理论基础；中等关联区，形成铁磁学的研究理论基础；强关联区，主要涵盖对象是电子浓度非常低的不良金属，其研究尚未得出圆满结论。

2.宏观量子态

低温物理学的研究也是凝聚态物理学产生的基础，金属和合金中存在超导现象这一成果对凝聚态物理学的发展影响巨大。超导现象是规范对称性破缺的结果，宏观量子态的概念、超导微观理论等的出现填补了超导研究的空白，玻色-爱因斯坦凝聚的实现将极低温下的稀薄气体也纳入凝聚态物理学的研究范围，但是仍有一些学科问题需要研究佐证，比如非常规超导体的机制仍未得到确定的解释。

3.纳米结构与介观物理

纳米技术研究的是在0.1～100纳米的尺度里电子、原子和分子内的特性和运动规律。纳米科技将人类的研究视角转向微观世界，纳米技术的研究和应用对于人类社会生活具有开创性的意义，现在也是物理学研究的一个热点方向。

4.软物质物理学

软物质是介于液态与固态之间的物质状态，被称为复杂液体。软物质是凝聚态物理学的延伸研究学科，软物质只要受到极小的外界刺激就会产生明显反应，从而具有显著的实用效果。

四、凝聚态物理学的发展方向

量子力学作为凝聚态物理学的理论基础已基本成熟，但是由于凝聚态物理学的实际研究中涵盖较多的微观粒子体系，使研究具有复杂性，新的物质结构、物理现象的产生也对凝聚态物理学的研究提出了挑战。凝聚态物理学研究中不断与生物、化学等学科在实验技术和理论概念上发生交叉渗透，将会对人类社会发展所需要的新能源、新材料和信息技术的发展起到推动作用。

参考文献：

[1]冯 端，金国钧.凝聚态物理学中的基本概念[J].物理学进展，2000（1）：1-21.

[2]秋 叶.我国凝聚态物理学进展概况[J].现代物理知识，1994（2）：8-11.