凝聚态物理学的基本概念和现代发展-金国钧
凝聚态物理导论
凝聚态物理导论凝聚态物理是物理学中的一个重要分支，研究的是固体和液体等宏观物质的性质和行为。
在这篇文章中，我们将介绍凝聚态物理的基本概念和原理，以及它在各个领域中的应用。
第一部分：凝聚态物理的基本概念和原理1. 凝聚态物理的定义凝聚态物理是研究宏观物质的性质和行为的学科，涉及到固体、液体和柔软物质等多种形态。
相比于粒子物理学和原子物理学等研究微观粒子的学科，凝聚态物理更加关注物质的集体行为和性质。
2. 固体的基本特性固体是一种具有定形和定秩序的物质形态。
它的分子或原子之间有着强烈的相互作用力，因此固体具有稳定性和刚性。
凝聚态物理的研究对象之一就是固体的结构和性质。
3. 液体的基本特性液体是没有定形但具有一定体积和质量的物质形态。
相比于固体，液体的分子之间的相互作用力较弱，因此具有流动性。
液体的性质的研究也是凝聚态物理的重要内容之一。
4. 凝聚态物理的基本原理凝聚态物理的研究依赖于量子力学和统计物理学的基本原理。
量子力学提供了研究微观粒子的理论框架，而统计物理学则通过平均值和概率分布等统计方法来描述宏观物质的行为。
第二部分：凝聚态物理在各个领域中的应用1. 材料科学与工程凝聚态物理在材料科学与工程领域中有着广泛的应用。
通过研究和理解固体的结构和性质，科学家们能够设计出新型材料，如高温超导材料和半导体材料，以应用于电子器件和能源领域。
2. 凝聚态物理与电子学凝聚态物理对电子学的发展有着重要的推动作用。
例如，固体中的电子行为与材料的导电性密切相关，凝聚态物理的研究为发展更高性能的电子器件提供了理论依据。
3. 凝聚态物理与纳米科学随着纳米科学的快速发展，凝聚态物理在纳米材料和纳米器件的研究中发挥着关键作用。
通过调控材料的结构和尺寸，科学家们可以实现对材料性质的精确控制，从而设计出具有特殊功能的纳米材料。
4. 凝聚态物理与生物物理学凝聚态物理的原理和方法在生物物理学中也有广泛的应用。
研究凝聚态生物物质，如蛋白质和细胞膜等，可以揭示生物体内重要的结构和功能，对于理解生物过程和疾病治疗具有重要意义。
凝聚态物理学及其在材料领域中的应用
凝聚态物理学及其在材料领域中的应用凝聚态物理学是对物质的宏观和微观行为的研究，它的研究范围包括所有凝聚态物质，如固体、液体和气体。
在现代科学技术的发展中，凝聚态物理学在材料领域中的研究已经成为了一个重要的分支。
在材料科学中，凝聚态物理学研究的是材料的相互作用和物理性质，包括电、热、磁的性质和结构等。
凝聚态物理学的研究可以帮助我们更好地理解和掌握材料的特性和应用，从而创造更加先进的材料。
凝聚态物理学的应用凝聚态物理学在材料科学中的应用非常广泛。
其应用可以分为理论和实验两个方面：理论方面凝聚态物理学在理论方面研究的是材料中原子、分子的结构、电子及电子与原子间相互作用和热运动等，从而更好地预测材料的性能和行为。
具体应用包括以下几个方面：1.密度泛函理论这是一种理论模型，用于描述原子和分子的性质。
它可以用于预测材料的电子结构和几何结构，并有效地概述材料的物理、化学和力学性质。
2.分子动力学模拟分子动力学模拟是一种对大量粒子进行动力学计算的方法。
这种方法可以模拟材料的热力学和动力学过程，以及材料中分子之间的相互作用和运动，从而预测材料在不同条件下的性质和行为。
3.量子化学计算量子化学计算是一种用量子力学方法来描述材料分子构成和性质的计算方法。
它可以预测分子的能量、结构和反应活性，从而指导材料中的分子设计和制备。
实验方面凝聚态物理学在实验方面研究的是材料的性质和结构，以及这些性质和结构之间的关系。
具体应用包括以下几个方面：1.压电材料压电材料是一种可以产生电荷的材料，它的电性能受到机械应力的影响。
凝聚态物理学的研究可以帮助人们更好地了解压电材料的电学性质，以及机械应力和电荷之间的关系，从而为新材料的开发和应用提供新的思路和手段。
2.磁性材料磁性材料的研究是凝聚态物理学的又一重要应用领域。
磁性材料在电子器件、储存器、发电机等方面的应用非常广泛，凝聚态物理学的研究可以帮助人们更好地了解磁性材料中的电子和原子之间的相互作用，以及不同场强下磁性材料的性质和行为。
凝聚态物理与现代科学技术
凝聚态是什么
非洲之星
所谓“凝聚态”，指的是由大量粒子组成，并且粒子
间有很强相互作用的系统。
— 自然界中存在着各种各样的凝聚态物质。固态和液态是最常 见的凝聚态。
o 固体：单晶体、多晶体、非晶体、准晶体、复合材料 o 液体：单相液体、液晶、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
— 完整的晶体对称性理论, — X射线衍射确证了晶体的周期结构;
— 固体比热理论；
— Born 学派建立了晶格动力学理论;
Pauli
— 关于金属导电的自由电子理论：Drude 与Lorentz 的经典自由 电子理论；Pauli 与Sommerfeld 发展的基于Fermi 统计的自 由电子理论等。
H T V
— 透明与导电
凝聚态物理学与现代科学技术
超导现象
— 超导体的发现： — 迈斯纳效应： — 高温超导体： — 晶格振动与超导电性：库伯电子对
凝聚态物理学与现代科学技术
超导体与核磁共振成像
— 晶格振动与超导电性：库伯电子对 M — 超导体与强磁场 3 2 — 核磁共振 3 J
J
1
2
E hv
1970-80年,凝聚态物理学的诞生
凝聚态物理学的基本概念
原子中的电子
2 p 1,3
2 2
2s
1s
原子中的电子能级 原子中的电子云
凝聚态物理学的基本概念
从原子到固体：能带的形成
原子
固体
分子
能带的形成
凝聚态物理学的基本概念
费米面与空穴
T=0 T>0 EF 空穴 EF
凝聚态物理学的基本概念
凝聚态物理学与现代科学技术
凝聚态物理学的产生发展和未来
凝聚态物理学的产生，发展和未来凝聚态物理学的产生：凝聚态物理学是从微观角度出发，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的一门学科。
凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓。
凝聚态物理学的发展：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。
凝聚态物理这个学科名称的诞生仅仅是最近几十年的事。
如果追寻一下它的渊源。
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。
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。
研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。
它是以固体物理学为主干，进一步拓宽研究对象，深化研究层次形成的学科。
其研究对象除了晶体、非晶体与准晶体等固体物质外，还包括稠密气体、液体以及介于液体与固体之间的各种凝聚态物质，内容十分广泛。
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、最丰富和最活跃的分支学科，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。
凝聚态物理学的基本概念和现代发展-金国钧
2.3 向凝聚态物理学的发展
一场无限平稳的革命
超出三维严格周期性，以更 广泛的物质聚集体为对象
互作用
凝聚态物理学是从微观角度 出发，研究由相互作用的多 粒子组成的凝聚态物质的结 构和动力学过程，及其与宏 观物理性质之间关系的一门 科学
维度性
对称性
24
Large amount of discoveries
引力
所有物体 (引力子)
10-39
无限
12
一场无限平稳的革命
简单性 →复杂性 破缺对称性→层展现象(emergent phenomena)
J. Hollan, Emergence, 1995
超导电性、自旋玻璃、时空相干结构 以及更广泛的学科范围 地质学、生物学、人工智能、经济学等
13
图3. 二类超导体中的磁通点阵
4
提纲
1. 凝聚态物理学在物理学中的位置 2. 从固体物理学到凝聚态物理学 3. 凝聚态物理学中的重要概念 4. 凝聚态物理学和现代科学技术
5
1. 凝聚态物理学在物理学中的位置
1.1 二十世纪物理学的伟大成就
物理学是一门自然科学， 是人类文化的组成部分， 还是技术的基础
Lord Kelvin (1824-1907) M. Thompson 1900年 新年献词 《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》
与对称性破缺有关的凝聚态物质系统的能量示意图33对称破缺的能量阶梯38不同的相互作用规定不同的基态温度升高基态用元激发概念进行简化处理整个相互作用系统的近似本征态热电等性质低温下有长寿命确定的ep低激发态继续升高温度非线性激发拓扑型缺陷位错畴界涡线破坏序参量的空间均匀性破坏广义刚度导致耗散和材料性能降低更高温度进入临界区涨落标度律临界指数普适性重正化群39lowlyexcitedstatesareresponsibleforanumberofinterestingphysicalpropertiessuchasthespecificheatmagneticsusceptibilityelectricalandthermalconductivitieselementaryexcitations1
《凝聚态物理前沿》课程教学大纲
《凝聚态物理前沿》课程教学大纲一、中文课程简介（含课程名、课程编号、学分、总学时、课程内容概要等内容）课程名：凝聚态物理前沿课程编号：学分：3总学时：48课程内容概要：结合理论物理专业特色与博士生培养要求，本课程主要围绕冷原子物理、拓扑物理与原子光学等凝聚态物理前沿领域介绍相关的基础理论知识和进展，包括光与原子相互作用、散射理论、相互作用玻色气体和费米气体以及拓扑能带论等，为进入相关领域的前沿研究提供基本的理论工具和知识储备。
二、英文课程简介（含课程名、课程编号、学分、总学时、课程内容概要等内容）Course：Frontier of Condensed Matter PhysicsCourse Number：Credit：3Hours：48Course content summary: This course mainly introduces the basic theoretical knowledge and progress in the frontier of condensed matter physics, such as ultracold atoms, topological physics and atomic optics, including the interaction between atom and light, scattering theory, interacting Bose and Fermi gas, topological band theory, etc.It provides basic theoretical tools and knowledge for doctoral students to begin the research in related fields.三、教学目标1.掌握光与物质相互作用、冷原子物理、拓扑能带理论等凝聚态物理相关领域的基础理论和研究方法，了解并跟进这些领域的前沿发展，为进一步深入学习和研究打下基础。
凝聚态物理学的研究现状与发展趋势
凝聚态物理学的研究现状与发展趋势凝聚态物理学是物理学中最重要、最活跃的领域之一。
它主要研究固体、液体、气体等物质的基本物理性质。
凝聚态物理学已经取得了许多令人惊讶的成就，如超导、磁性、光学、控制量子力学等。
在本文中，我们将对凝聚态物理学的研究现状和发展趋势进行探讨。
一、凝聚态物理学的研究现状凝聚态物理学的研究涉及到物质的性质和结构。
凝聚态物理学家关注的问题包括物质的电学、热学、磁学等各方面的性质，以及这些性质的基本理论。
目前，凝聚态物理学的研究内容主要包括以下几个方面：1. 量子物质的研究：量子物质可以通过加强人造温度等方式得到，主要研究单个电子的行为、自旋等。
在这种条件下，物质表现出不同的性质，这是因为原子的运动是量子物质构成的，所以量子物质具有原子物质所没有的独特性质。
2. 超导和超流体的研究：超导和超流体在科学界和工业界得到了广泛应用，例如磁共振成像和电路理论。
超导物质可以在很低的温度下传导电能，而超流体具有非常低的粘性并且可以完全流动。
3. 低维系统的研究：低维系统可能是凝聚态物理学中最重要的一个领域。
这个领域涉及到体系的几何形态和波动的性质，例如单层石墨烯的电子结构和表面的重构，和单层半导体纳米线的生长和结构变化等。
4. 量子材料和拓扑物相的研究：量子材料是一种新的物质状态，它的性质可以在原子、电子和样品层面上被预测和控制。
拓扑物相是指材料中存在的一些奇特的电子结构，这种结构可以被应用于电子计算和量子通信等领域。
二、凝聚态物理学的发展趋势凝聚态物理学的研究已经不断取得了新的突破。
未来，凝聚态物理学的发展趋势将会继续如下：1. 多物理量的精细调控和研究：多物理量的调控和研究是凝聚态物理学领域中未来的新方向。
多物理量材料的研究将需要研究复杂的集体行为。
2. 量子材料和拓扑物相的研究：量子材料和拓扑物相的研究将是未来凝聚态物理学的主要研究方向之一。
这些材料可能会带来者超过当前凝聚态物理学应用的新功能。
凝聚态物理学的研究与进展
凝聚态物理学的研究与进展凝聚态物理学是研究物质宏观状态的物理学科，主要研究固体、液体和气体等凝聚态物质的性质及其相互作用。
这一领域的研究对于材料科学、能源技术、半导体技术等产业有着重要的意义。
本文旨在介绍凝聚态物理学的研究内容与进展。
一、凝聚态物理学的研究内容凝聚态物理学的研究内容非常广泛，主要包括以下方面：1. 凝聚态物质的结构和物理性质研究物质的微观结构对于理解材料的性质十分重要。
凝聚态物理学家通过实验和理论计算，研究物质的微观结构与其宏观性质的关系，包括热力学性质、电学性质、磁学性质、光学性质等。
2. 凝聚态物质的相变凝聚态物质的相变是指物质由一种相转变为另一种相（如固态、液态、气态等）的过程。
相变不仅是物理学研究的重要课题，对于科学与工程技术的应用也具有极高的价值。
例如，相变储能技术、相变材料的应用等。
3. 凝聚态物质中电子与强子的相互作用凝聚态物质中电子与强子（如质子、中子等）之间的相互作用对固体材料的性质具有重要影响。
如超导材料、磁性材料等的应用。
4. 凝聚态物质中的新现象与新物理凝聚态物理学是物理学中最富有生气和活力的学科之一。
新出现和发展的一些新物理现象，如高温超导、磁性固态材料、凝胶形成，很多还不为人们所完全把握和所理解，但科学家们通过实验与理论的研究，越来越深入地挖掘和发现它们的新性质和特点。
二、凝聚态物理学的研究进展凝聚态物理学自问世以来，一直是物理学研究的重要领域之一。
其研究对于现代科技的发展有着重要的贡献。
近年来，凝聚态物理学的研究不断取得新的成果和进展：1. 量子物理学的兴起量子物理学是凝聚态物理学中最快发展的分支之一。
通过对凝聚态物质的量子性质进行实验和理论计算，物理学家们揭示了许多经典物理理论无法解释的新现象，例如量子液体、量子震荡等。
2. 对凝聚态物质的原子级理解通过加速器与显微术等技术的不断发展，科学家们逐渐能够对凝聚态物质的原子级结构进行观测与实测，为研究凝聚态物质的微观原理提供了有力支持。
高分子凝聚态物理及其进展
高分子凝聚态物理及其进展绪论（Introduction）§0-1 高分子凝聚态物理基本概念自从二十世纪二十年代H. Staudinger提出“大分子（macromolecule）”概念以来，高分子科学取得突飞猛进的发展。
在高分子科学中，高分子凝聚态物理学始终是其最重要的组成部分之一。
所谓凝聚态，是指由大量原子或分子以某种方式（结合力）聚集在一起，能够在自然界相对稳定存在的物质形态[1]。
高分子凝聚态物理学即是以现代凝聚态物理学中的新概念、新理论、新实验方法与高分子材料和高分子科学的特点相结合，用以说明、理解高分子材料复杂的结构、形态、分子运动、各种特殊的聚集状态及其相态转变，以及这种结构、相态特点与大分子聚合物作为材料使用时所体现出的特殊性能、功能间的关系。
近年来，高分子凝聚态物理学又出现新的发展高峰。
随着现代凝聚态物理学的发展，大量新观点、新思想、新的研究方法纷纷被引用到高分子物理学的研究中，成为高分子科学新的研究前沿[2,3,4,5]。
比较有代表性的研究成果有：大分子单链凝聚态和单链单晶；软物质概念及高分子材料的软物质特征；大分子蛇行蠕动模型及对分子链缠结现象的说明；聚合物相变中的亚稳态现象和临界现象；分子间相互作用力及超分子组装和自组装；逾渗模型及其在高分子科学中的应用等，每一领域都包含丰富的研究内容，揭示出许多新的有趣的现象和规律。
法国科学家P. G. de Gennes是现代高分子凝聚态物理研究的集大成者。
他所著作的“高分子物理学中的标度概念”以极其简明的语言和普适的幂函数规律深刻揭示了大分子特有的运动形式和规律，成为当今高分子物理学的经典名著。
他在其诺贝尔奖获奖典礼上以“软物质”（soft matter）[5]为题总结了现代高分子凝聚态物理的研究成果和研究前沿。
从字面理解，软物质是指触摸起来感觉柔软的那类凝聚态物质。
严格些讲，软物质是指相对于弱的外界影响，比如施加给物质瞬间的或微弱的刺激，都能作出相当显著响应和变化的那类凝聚态物质。
高中物理凝聚态物理的基础知识讲解
高中物理凝聚态物理的基础知识讲解在高中物理的学习中，凝聚态物理是一个较为深奥但又十分有趣的领域。
它研究的是大量粒子（原子、分子、离子等）聚集在一起所表现出的物理性质和现象。
接下来，让我们一起走进这个奇妙的世界。
凝聚态物理所涉及的物质形态非常广泛，包括固体、液体，还有一些特殊的物质状态，如超流体和超导态等。
先来说说固体。
固体具有固定的形状和体积，其内部的粒子排列呈现出一定的规律。
晶体就是典型的固体，晶体中的粒子按照特定的晶格结构有序排列。
比如我们常见的食盐（氯化钠）就是一种晶体，其钠离子和氯离子按照规则的立方体结构排列。
那么，决定固体物理性质的因素有哪些呢？其中一个关键因素是晶体结构。
不同的晶体结构会导致不同的物理性质。
比如，金刚石和石墨都是由碳元素组成，但由于它们的晶体结构不同，物理性质差异巨大。
金刚石硬度极高，是自然界中最硬的物质之一；而石墨则质地柔软，具有良好的导电性。
另一个影响固体物理性质的因素是化学键。
化学键的类型和强度决定了固体的强度、硬度、熔点等性质。
离子键、共价键和金属键是常见的化学键类型。
离子键通常形成离子晶体，具有较高的熔点和硬度；共价键形成的原子晶体，如金刚石，也具有很高的硬度和熔点；而金属键则使得金属具有良好的导电性和导热性。
再谈谈液体。
液体没有固定的形状，但有固定的体积。
液体中的粒子排列比固体要松散得多，但仍然存在一定的相互作用。
液体的表面张力是一个有趣的现象。
比如水滴在荷叶上能够形成水珠而不浸润荷叶，这就是表面张力的作用。
凝聚态物理中还有一些特殊的物质状态，比如超流体和超导态。
超流体是一种在极低温度下表现出无黏性流动的流体。
在超流体状态下，流体可以毫无阻力地流动，甚至可以沿着容器壁向上爬，这种现象让人感到十分神奇。
超导态则是指在低温下电阻突然消失的现象。
这意味着电流可以在超导材料中无损耗地流动。
超导材料在能源传输、磁悬浮列车等领域具有巨大的应用潜力。
在研究凝聚态物理时，我们还会用到一些重要的概念和理论。
凝聚态物理学中的基本概念阐述
凝聚态物理学中的基本概念阐述作者：曾宇心来源：《科学与财富》2016年第34期（重庆市中山外国语学校 404500）摘要：凝聚态物理学作为物理学的一大分支，其研究前景十分广泛。
凝聚态物理学是研究凝聚态物质的物理性质以及它们的微观结构的学科。
其通过分析构成凝聚态物质的电子、离子、原子、分子的运动形态和运动规律，从而对凝聚态物质的物理性质进行认知。
凝聚态物质是固体物理学的一个拓展方面，研究的物质的典型特征之一是其具有多种形态。
同时，凝聚态物理学也为材料研究引入了新的体系。
本文就目前凝聚态物理学发展情况，对其中的基本概念的产生、含义及其发展进行阐述。
关键词：凝聚态物理学；基本概念；特点阐述凝聚态物理学的基本概念需根据物质世界的层次化进行阐述效果会更加明了。
作为一门至今仍然拥有丰富生命力的研究学问，凝聚态物理学时时刻刻影响着我们生活的方方面面。
例如，液态金属、溶胶、高分子聚合物等等物质的研究都和凝聚态物理学有着密不可分的联系。
凝聚态物理学发展历史和其理论支撑，是对凝聚态物理学的基本概念进行阐述的基础。
一、凝聚态物理学发展历史1、物质世界层次化为了对凝聚态物理学基本概念进行阐述，首先就需要提到物质世界层次化的研究方式。
纵观二十世纪的物理学发展，在二十世纪初，两大划时代的物理理论突破的出现，拉开了宇观物理学和微观物理学的探究序幕。
两大理论即是相对论和量子论，相对论和量子理论是对传统物理学的质疑和挑战。
其中，狭义相对论修正了经典物理学当中的电磁学和力学之间存在的矛盾；广义相对论则是为近代物理学当中的天体运行研究做出了巨大的贡献。
量子论的建立正式拉开了现代物理学对于微观世界的研究，使得基于原子乃至更小系统的探究成为可能。
现代物理学的研究方式正是基于这一种将物质世界进行分层的观点进行的，因为物理学当中的理论使用范围都有区别。
例如，在宏观世界当中，牛顿力学成立；在微观世界当中，牛顿力学就难以支撑实验事实了。
2、凝聚态物理学的步步发展从科学家开始探索微观世界开始，凝聚态物理学就悄然发展开来。
凝聚态的发展史及其相关知识介绍
1
概况及学科研究范围
电介质物理——主要研究介质内部束缚电荷在电或和 电介质物理 光的作用下的电极化过程，阐明其电极化规律与介质 结构的关系，揭示介质宏观介电性质的微观机制，进 而发展电介质的效用。 磁学——又称为铁磁学，是现代物理学的一个重要分 磁学 支。现代磁学是研究磁，磁场，磁材料，磁效应，磁 现象及其实际应用的一门学科。 固体的光学性质——固体的光性质，从本质上讲，就 固体的光学性质 是固体和电磁波的相互作用，这涉及晶体对光辐射的 反射和吸收，晶体在光作用下的发光，光在晶体中的 传播和作用以及光电作用、光磁作用等。基于这些性 质，可以开发出光学晶体材料、光电材料、发光材料、 激光材料以及各种光功能转化材料等。
高温超导的研究
高温氧化超导材料的发现与超导机制的研究
1986年以来，瑞士、美国、日本、中国等国的科学家们，相继 发现了多种高温氧化物超导材料。但是，这主要是实验物理学家的探 索成果，在理论研究方面，仍还没有给出一种圆满的解释。
BCS理论是第一个成功的微观超导理论 BCS理论是第一个成功的微观超导理论
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凝聚态物理学的发展史 及相关知识介绍
Contents
1 2 3 4
概况及学科研究范围 凝聚态的发展史 相关知识拓展 结 语
1
概况及学科研究范围
1
概况及学科研究范围
凝聚态的概况
所谓“凝聚态”，指的是由大量粒子组 成，并且粒子间有很强相互作用的系统。 自然界中存在着各种各样的凝聚态物 质。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。
•AB与AC效应研究 与 效应研究
1959年，阿哈勒诺夫和玻姆发表一篇论文，该论文认为， 在量子理论中，电磁势要比经典电磁理论中的电场与磁场强度 更有意义。这就是ＡＢ效应。阿哈勒诺夫与卡谢认为，如果存 在有磁场作用的AB效应，根据电与磁的对偶性，一定会存在 着一种AB效应的对偶效应，即ＡＣ效应。AB效应中，电子不 受磁场力；AC效应中，中子不受电场力。
凝聚态物理学 教材
凝聚态物理学教材
凝聚态物理学是一门研究凝聚态物质的结构和性质的学科，其教材包括多种经典和现代的书籍。
以下是一些推荐的凝聚态物理学教材：
朗道的《统计物理学1》和《统计物理学2》。
这两本书是凝聚态物理学领域的经典著作，其中《统计物理学2》主要涉及凝聚态理论，包括玻色液体、费米液体理论、格林函数理论、超导等基础的凝聚态现象，内容简明扼要，讲解清晰。
张先蔚的《量子统计力学》。
这本书内容全面，推导简洁，适合作为本科
生的教材或参考书。
周子舫的《热学热力学与统计力学下册》。
这本书基础讲解详尽，对于打
好统计力学基础很重要。
帕斯利亚的《统计力学》。
这本书也是经典之作，对于深入理解凝聚态物
理学的统计力学基础有很大帮助。
阿布力克索夫的《统计物理学中的量子场论方法》。
这本书虽然是1961年第一版的老书，但被称为“evergreen classic”，对于理解凝聚态物理学的量子场论方法非常有帮助。
Altland的《凝聚态场论》。
这本书注重实际应用和科研，适合对凝聚态物理研究有兴趣的读者。
此外，冯端、金国钧合著的《凝聚态物理学上下卷》也是一本很好的教材，适合研究生阅读。
以上书籍各有特色，可以根据自己的需求和兴趣选择阅读。
量子力学与凝聚态物理学
量子力学与凝聚态物理学量子力学与凝聚态物理学是现代物理学领域中的两个重要分支。
量子力学研究微观世界中的粒子行为和能量转移规律，而凝聚态物理学研究宏观物质中的集体行为和性质。
本文将介绍量子力学和凝聚态物理学的基本概念、发展历程以及两个领域的关联。
一、量子力学量子力学是在20世纪初由诸多科学家共同发展起来的新兴学科。
它基于量子理论，揭示了微观领域中粒子的不确定性和粒子之间的相互作用。
量子力学理论能够准确描述原子和分子的结构、粒子的自旋以及粒子在各种势场中的运动。
量子力学的发展历程可追溯到1900年马克斯·普朗克提出能量量子化的概念。
1913年，尼尔斯·玻尔在他的原子模型中引入量子概念，解释了氢原子光谱的谱线。
接着，1926年埃尔温·薛定谔提出了薛定谔方程，它是量子力学中描述波粒二象性的基本方程。
此后，量子力学逐渐完善，并应用于解释诸如量子力学力学性质、量子力学力学性质等。
二、凝聚态物理学凝聚态物理学是研究宏观物质中的集体行为和性质的学科。
它关注的是固体和液体等大量粒子的集体行为，研究凝聚态物质的相变、排列规律和电子性质等问题。
凝聚态物理学从原子、分子和晶体的微观结构出发，探讨了宏观物体的物理性质。
凝聚态物理学始于19世纪30年代，当时固体物理学和低温物理学等领域开始发展起来。
20世纪50年代，随着量子力学的发展，凝聚态物理学进入了一个新的阶段。
发展至今，凝聚态物理学已经成为物理学研究的一个重要分支，许多新发现和新现象都在该领域得到了阐明。
三、量子力学与凝聚态物理学的关系量子力学和凝聚态物理学之间有着密切的联系。
凝聚态物理学是量子力学的一个重要应用领域，它运用量子力学的原理研究宏观物质中的量子效应。
例如，凝聚态物理学可以用量子力学来解释固体中的电子行为以及超导和磁性等现象。
同时，凝聚态物理学的研究结果也推动了量子力学的发展。
凝聚态物理学实验提供了验证量子力学理论的平台，它们共同促进了量子力学的不断深化和完善。
凝聚态物理专题ppt课件
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二、凝聚态物理的发展
1. 凝聚态物理的发展简史
下面，以编年史的形式，介绍在凝聚态物理学发展中 的一些大事件，从而跟踪凝聚态物理的发展进程。
1915年，诺贝尔物理学奖授 予亨利. 布拉格和劳伦斯. 布拉 格，以表彰他们用 X 射线对晶 体结构的分析所作的贡献。
1916年，德拜提出X射线粉末衍射法， 用以鉴定样品的成分，并可以确定晶胞的 大小。
由于在X射线衍射和分子偶极矩理论方 面的杰出贡献，德拜获得 1936 年诺贝尔 化学奖。
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目前，利用能带理论已经可以对晶体特性参量根据第
一性原理进行从头计算，计算结果的准确性非常令人满
意。而这样的理论计算，又可以作为进一步发展材料的
依据。
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1931年，威尔逊提出了固体导电的量子力学模型，并 预言介于金属和绝缘体之间存在半导体，为半导体的发 展提供了理论基础。
1932年，威尔逊提出了杂质（及缺陷）能级的概念， 这是认识掺杂半导体导电机理的重大突破。
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1985年，柯尔、斯莫利和克罗特发现了具有足球状的 碳分子——富勒烯。
1996年，诺贝尔化学奖授予富勒烯的三 位发现者——柯尔、斯莫利和克罗托。
除富勒烯分子外，人们还 发现全部由碳原子构成的一 些其它的稳定结构。
例如，1991年发现由240个 碳原子构成巴基管。
富勒烯的发现，广泛地影响到物理学、化 学、材料学、电子学、生物学、医药科学各 个领域，显示出有巨大的潜在应用前景。
凝聚态物理的基本概念
凝聚态物理的基本概念凝聚态物理研究的对象是物质的凝聚态，包括固体、液体和气体。
它与分子物理、原子物理、量子力学、热力学等领域联系紧密，是现代化学、物理、材料科学、生命科学的重要分支。
凝聚态物理主要研究材料的物态及物态变化的原理和规律，理论研究和实验探索可以从微观和宏观两个角度进行。
基于微观角度考虑，凝聚态物理侧重于材料的原子、分子、电子、光子、声子、磁子等基本粒子的行为规律和相互作用，以及它们组成的物质的宏观性质。
从宏观角度考虑，主要研究物质的物理性质、结构、性质变化及其与环境之间的相互作用等问题。
凝聚态物理的重要概念包括：1. 原子、分子、电子：物质的最基本单位，其中原子和分子是由电子和质子组成的，其中电子是一种基本的粒子；2. 结构与周期性：包括晶体和非晶体结构，晶体物质具有规则的周期性排列，非晶体物质则没有具有周期性结构，而表现出无规则排列；3. 态密度和能带结构：材料电子的分布规律，是研究材料电导性、磁性等性质的基础，能带结构对材料的性质影响极大；4. 相变：物态变化的概念，主要包括固、液、气三态之间的转化以及物质在不同条件下存在的各种状态，如玻璃态、等；5. 热力学：研究物质的热力学方法、物理量和物理过程，例如热力学平衡态、热力学势、热力学第一、二、三定律等等，包含了物质的热力学性质；6. 光学：研究光在物质中的传播及其相互作用，包括折射、反射、吸收和散射等过程。
凝聚态物理的研究成果在科学、工程、环境、医学等领域得到了广泛应用。
例如，凝聚态物理的电子理论奠定了半导体和光学材料的基础，促进了现代电子信息技术的发展。
在环境污染物分析、空气净化、水处理等领域，凝聚态物理的研究成果也得到了广泛的应用。
总的来说，凝聚态物理对于推动人类文明的发展起到了非常重要的作用，随着科学技术的不断发展，凝聚态物理必将会对人类的生存和发展产生更多的贡献。
凝聚态物理
凝聚态物理凝聚态物理是研究材料的宏观性质和微观结构的一门学科。
它涉及固体、液体和凝胶等态的物质研究，研究的对象通常是原子、分子和宏观结构。
凝聚态物理的研究领域非常广泛，涵盖了凝聚态物质的结构、力学性质、电磁性质、光学性质、热学性质、输运性质等方面。
这些性质对于材料的应用至关重要，比如电子器件、光学器件、热学器件等。
在凝聚态物理的研究中，有很多重要的概念和理论。
其中一个重要的概念是晶体。
晶体是一种由原子或分子有序排列而成的物质，具有清晰的晶体结构和周期性。
晶体的研究对于了解凝聚态物质的性质和行为非常重要。
同时，凝聚态物理研究中的另一个重要概念是凝聚态物质的电子能带结构。
电子能带结构描述了凝聚态物质中电子的能量分布。
不同的材料具有不同的电子能带结构，这也是造成材料性质差异的原因之一。
凝聚态物理的研究方法主要包括实验方法和理论方法。
实验方法主要通过物理实验来观察和测量材料的性质和行为。
而理论方法则通过建立模型和计算来解释和预测材料的性质和行为。
实验和理论相结合，可以更加全面地了解材料的性质和行为。
除了基础研究，凝聚态物理在应用方面也有很多突破和进展。
在电子器件领域，凝聚态物理的研究为半导体器件的发展提供了基础。
在光学器件领域，凝聚态物理的研究促进了激光器、光纤等技术的发展。
在能源领域，凝聚态物理的研究也有助于开发新型的太阳能电池、储能材料等。
总之，凝聚态物理作为一门重要的物理学科，研究着材料的性质与结构，对于科学研究和技术应用都具有重要价值。
通过深入研究凝聚态物理，我们可以更好地理解材料的行为和性能，并开发出更加先进的材料和器件。
4nd.凝聚态物理学
学科简介
凝聚态物理学涉及现代科学技术的众多领域，在高新科技中起着 关键性作用，为发展新材料、新器件、新工艺提供科学基础。
材 料 科 技 术
纳 米 科 技
凝聚态物理学
我校凝聚态学科的特色及优势
❖ 三束材料改性教育部重点实验室的主要支撑学科之一。 ❖ 以载能束和等离子体为主要技术手段，针对新型材料开展
– 考试科目：物理学一级学科考试科目； • 复试：物理学综合，侧重固体物理、热统和量子力学
– 2013年招生情况：直接攻博1人，校内推免2人，统考录取8人。 – 2014年计划招生人数：10-12人
❖ 就业
– 高新技术企业：通讯技术、半导体器件制造 • 华为、中芯国际、北京半导体所、大连Inter、LED公司等
❖ 铁电/铁磁薄膜材料（信息存储）
研究方向 新能源材料
❖ 储氢与燃料电池材料（清洁能源、电动汽车） ❖ 电池材料（锂离子电池） ❖ 天然气水合物（可燃冰）
研究方向 低维与纳米材料
❖ 石墨烯与二维单层材料（纳米电子学） ❖ 碳纳米管（纳米复合材料） ❖ 团簇（磁存储、催化）
研究方向 载能束-材料相互作用
凝聚态物理专业介绍
学科简介
凝聚态物理学是当今物理学中最庞大、发展 最为迅速的分支学科。它建立在固体物理学 基础上，研究对象扩展至非晶、准晶、液体、 稠密气体、软物质等，主要任务是研究由大 量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成 的凝聚态物质的结构、成分与其物理性能之 间的关联，揭示其内在的物理规律。
– 高校和科研单位 • 中科院化物所、清华大学、西安交通大学、苏州大学等
期待你的加入! 凝聚态物理专业
既有发挥你想像的空间， 又有拓展你实验能力的平台。
具有实际应用价值的实验和理论研究。 ❖ 近三年，在影响因子大于9的顶级刊物发表8篇论文。
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26
Interaction increases
H Ψ (r1 ,..., rN ) = E Ψ (r1 ,..., rN )
1 2 i + v(ri ) H = ∑ H i = ∑ i i 2m
4
提纲
1. 凝聚态物理学在物理学中的位置
2. 从固体物理学到凝聚态物理学 3. 凝聚态物理学中的重要概念 4. 凝聚态物理学和现代科学技术
5
1. 凝聚态物理学在物理学中的位置
1.1 二十世纪物理学的伟大成就
物理学是一门自然科学， 是人类文化的组成部分， 还是技术的基础 Lord Kelvin (1824-1907) M. Thompson 1900年 新年献词 《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》 相对论 宏观世界 Einstein个人，1905，1915 量子论 微观世界 一批物理学家，since 1900
Still immense possibilities are waiting to be explored Coexistence of intellectual challenges and practical rewards
25
Dimensionality reduces
Using coherence of de Broglie waves
湘潭大学讲座
凝聚态物理学的 基本概念和现代发展
金国钧
2007.11.17
1
凝聚态物理学 当代物理学中最重要的一个分支 具有以下几个特点 众多的研究工作者 丰富的研究成果 对技术发展的广泛影响 向交叉领域的迅速渗透
2
Feng Duan and Jin Guojun, Since 1990 established a graduate course
一场无限平稳的革命
超出三维严格周期性，以更 广泛的物质聚集体为对象
互作用
凝聚态物理学是从微观角度 出发，研究由相互作用的多 粒子组成的凝聚态物质的结 构和动力学过程，及其与宏 观物理性质之间关系的一门 科学
维度性
对称性
24
Large amount of discoveries
High temperature superconductors Integer and fractional quantum Hall effects Quantum transport in mesoscopic systems C60 molecules and solids Giant and colossal magnetoresistance Realization of Bose-Einstein condensation
C. Kittel, 7 editions, 1953-1996 Introduction to Solid State Physics N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, 1976 Solid State Physics
20
Three types of wave equations
1 1 2D D + × × = 0, μ (r + l ) = μ (r ), ε (r + l ) = ε (r ) 2 2 c t ε (r ) μ (r )
2 M s 2 ulsα = ∑ Φ lsα ,l ′s′β ul ′s′β , t l ′s ′β
Φ lsα ,l ′s′β = Φ 0 sα , ls′β
Introduction to Condensed Matter Physics
basic concepts in condensed matter physics
3
凝聚态物理学
一、凝聚物质的结构 二、各种结构中波的行为 三、键、能带及其它 四、相变和有序相 五、临界现象 六、元激发 七、缺陷和织构 八、非平衡现象
What is Symmetry
12
基本粒子衰变和俘获 (W+, W-, 和Z0) 10-10-10-12
带电粒子 (光子) 所有物体 (引力子)
10-2 10-39
一场无限平稳的革命
简单性 →复杂性 破缺对称性→层展现象(emergent phenomena) J. Hollan, Emergence, 1995
超导电性、自旋玻璃、时空相干结构 以及更广泛的学科范围 地质学、生物学、人工智能、经济学等
vols. 1-57, 1955-2002
22
Extension and modification of the paradigm Wave behavior beyond perfect periodicity
Dilute impurities and surfaces in crystals → Friedel oscillations of electron density Concentrated impurities → multiple scattering → weak localization and enhanced backscattering Strongly disordered systems → Anderson localization Quasicrystals → self-similar energy structure and critical state, singular continuity Fractal structures → scale invariance, fractons
Gases, Liquids and Solids Decompose Molecules or Atoms Nuclei and Electrons Protons and Neutrons Quarks and Gluons
11
四种基本相互作用
类型 强 弱 电磁 引力 客体 质子和中子 (介子和胶子) 强度 1-10 范围 10-15-10-14cm 10-14cm 无限 无限
σ
kσ
H = ∑ ε k nkσ + ∑ ε d ndσ + H sd
kσ
σ
+ + + + H sd = J ∑ S z (ck ′↑ ck ↑ ck ′↓ ck ↓ ) + S + ck ′↓ ck ↑ + S ck ′↑ ck ↓ kk ′
28
3. 凝聚态物理学中的重要概念
3.1 对称性破缺
Artificial nanostructures: superlattices, quantum wells, quantum wires, quantum dots, and small rings Transport phenomena: ballistic transport and tunneling transport
---P. W. Anderson (1972)
15
世界是复杂的， 也是简单的， 但是归根结底 是复杂的， 复杂性导致多样性， 希望寄托在复杂性上
16
2.2 固体物理学的建立 1. 晶体学研究 探明晶体内部原子排列 Kepler (1611) 雪花、微粒堆垛 晶体的对称性理论 19世纪后期，14，32，230 x射线的运动学衍射理论 衍射光栅 Laue 1912 Bragg方程 x射线的动力学衍射理论 Ewald 及其他人191617
h2 2 ih ψ = + V (r ) ψ , t 2m
V (r + l ) = V (r )
21
常规发展时期 F. Seitz, D.Turnbull, H. Ehrenreich, F. Spaepen
Solid State Physics, Advances in Research and Applications
表1. 凝聚态物理学中有关的对称性
29
Professor Yang poined out
The fundamental rhythm in physics of twenty century is 二十世纪物理学的基本韵律 Symmetry, Quantization and Phase Factor
1 2 + v(r ) ψ (r ) = εψ (r ), 2m
v (r + l ) = v (r )
e2 1 2 1 i + v(ri ) + ∑ H = ∑ 2 i ≠ j ri r j i 2m
′ 1 1 e2 2 ∑ 2m i + v(ri ) + 2 ∑ r r j i i j
图2. 物理学不同分支 学科与所研究结构的 尺度
9
2. 从固体物理学到凝聚态物理学
2.1 科学发展的历史轨迹 复杂性
→ 简单性
还原论者
大块物质 → 分子→ 原子 → 原子核和电子 → 核子等 各种相互作用 → 四种基本相互作用 → 电弱统一 → 强电弱统一 → 大统一
10
From Complexity to Simplicity: Reductionist Approach
7
极小与极大两前沿之间有紧密联系 粒子物理提供早期宇宙的考古信息 星球与宇宙是高能物理的巨大实验室 两极之间存在众多的中间层次
图1. 物质结构
长度 100cm-10-8cm 能量 1000K-10-9K 时间 108s–10-15s 粒子数 1027-102
Even today the vitality of this paradigm is not exhausted, new investigations on photonic and phononic band gaps in the late 1980s and after