固体物理绪论
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两种体系的教材： 加州大学伯克利分校的Kittel (1953年出版，2004年已出到8版， 不断地增、删，重印) 康奈尔大学的Ashcroft (1976年出版，未再版，不断地重印) 国内出的固体物理学教材几乎都是Kittel系列的教材 唯有两本教材可以归于Ashcroft系列 清华大学，顾秉林，1989年第一版，未再版和重印 北京大学，阎守胜，2000年第一版，2004第二版，2011年第三版
的能带结构，而无需顾及核子的夸克结构。
22
§7 关于参考书
教材：1．黄昆编著《固体物理学》 高等教育出版社
2. 陆栋、蒋平、徐至中等编著《固体物理学》 上海科技技出版社
参考书：
1． C.基泰尔（C.kittel）著《固体物理导论》 科学出版社
2．韦丹著《固体物理》 清华大学出版社
3．冯端、金国钧《凝聚态物理学》高等教育出版社
研究对象的尺寸：介观尺度
研究对象的数目：1023
研究的实验手段： 各种材料的制备手段、各种结构和物性的表征手段（ X光衍射、 电子显微镜、PPMS等） 研究的理论方法：量子力学与经典物理 （判据）
6
7
8
9
固体物理研究的三个关键问题及其困难：
既然涉及到原子、电子层次，那么我们首先必须面对如下的三个
25
谢 谢 ！
26
21
P.W.Anderson (1972)，对还原论方法能否成立提出了疑问：“将万事万物还原成简单的基
本规律的能力，并不蕴含着从这些规律重建宇宙的能力· · · · · ·当面对尺度与复杂性的双重困难时重 建论的假设就崩溃了。其结果是大量基本粒子的复杂聚集体的行为并不能依据少数粒子的性质作
简单外推就能得到理解。取而代之的是在每一复杂性的发展层次之中呈现了全新的性质，从而我
23
有版权的国外参考书的简评和建议
Solid State Physics, by N. W. Ashcroft and N. D.Mermin，世界图 书出版公司影印 美国很多大学的凝聚态物理类研究生教材。1976年出版后未 更新，新近发展缺。影印版也很贵，但将去美国深造的可选 Introduction to Solid State Physics, by C.Kittel，化学工业出版社 第8版有中文版，第5版也有中文版。 用简单物理讲解是其特色——避免使用量子和统计——无奈 之举，与美国大学本科生的基础相适应。
固体物理学的研究方法有什么特点？
固体将要(将被用于)解决什么问题？
以前的物理概念和定律还不够用吗？
4
固体物理学是研究固体的结构和组成固体的结构粒子（原子、离子、 电子）之间相互作用与运动规律，以阐明固体材料的性能及用途的科学。
主要任务：微观层次上研究固体宏观性质、规律。
5
研究对象：晶体、准晶、非晶
认为要理解这些新行为所需要作的研究，就其基础性而言，与其它相比也毫不逊色。”如此，每 一不同的聚集层次，都会展现全新的性质，这些性质已超出组成粒子的物理学的领域，可以被称
作层展性质。于是，还原论趋向逐渐为层展现象（emergent phenomena）的研究所取代。
事实上层展现象的精髓就在于不同物质结构的不同层次间耦合与脱耦的微妙的相互影响。 遗传学植根于DNA的分子结构，但无需顾及原子核的壳层结构；半导体的电导植根于固体中电子
2009年:
2010年: 2011年:
光纤通讯；
石墨烯； 超新星；
2012年：操纵单个量子粒子； 2013年： 希格斯玻色子（上帝粒子）；
2014年： 蓝光发光二极管（LED）
3
§2
固体物理的研究对象和方法
以你现在的认识，你认为哪些物理现象或者问题是属于固体物理学将 要回答或者试图解释的？ 固体物理学的研究对象有什么特点？
如：弹道输运及隧穿输运等。由此而诞生的新领域：介观物理。
将电子自旋纳入范式后考虑到的，自旋极化的电子何格波及缺陷产生的自旋相 关散射。这构成了自旋电子学的物理基础。
14
凝聚态物理的范式：
固体物理学向凝聚态物理学转变的过程中，Landau与Anderson扮演了非常 重要的角色。不仅由于他们所作的创造性理论贡献，也在于提炼和澄清了若干 基本概念，从而为凝聚态物理学奠定了基础。与原来的固体物理学的范式相比 较，这一新范式强调了多体效应，而对称残缺占据了中心位置。
采用Bloch波的表示方式，也都强调了波失（或）倒空间的重要性。
13
非周期性挑战：对于含有少量杂质的晶体，Bloch波被单一座位上杂质原子的 散射就非常重要。弱无序体系、强无序体系，以及无序导致电子定域化的物理图像； 经典波的定域化问题；非均匀结构等。 具有边界的实际晶体的研究:表面物理学、低维物理学的研究。 与de Broglie波的相干效应有关的研究领域：如人工纳米结构（诸如超晶格、 量子阱、量子线、量子点及微环等）中涉及相干de Broglie波干涉效应的输运现象，
固 体 物 理
滕蛟
tengjiao@mater.ustb.edu.cn
1
§1 与固体物理密切相关的“事”
半导体物理和微电子工业；纳米材料和纳米科学； 高温超导； 信息与通讯技术；
表面与界面；磁学；光伏产业 量子计算与通讯
2
2007-2014年，4届诺贝尔物理学奖授于了凝聚态物理领域。
2007年: “巨磁电阻”效应； 2008年: 对称性破缺；
16
§5 如何了解当前凝聚态物理的热点
主要期刊 学术网站 主要研究机构
17
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wenku.baidu.com
§6
物质的“层展现象”
由于物质结构实际上可划分为一系列的层次，各有其组成的“基本”粒子以
及其特有的长度尺度和能量尺度，而且诸多不同层次之间除了耦合之外，还存
在脱耦，从而使得从简单构筑复杂并不像过去还原论者想的那么容易。
凝聚态物理的基本概念：对称破缺、元激发、广义刚度、拓扑缺陷、绝热 连续性、重正化群等。 （Anderson，“凝聚态物理学的基本概念”，1984）
15
Landau的对称破缺概念：
在特定的物态中，某一对称元素的存在与否是不容模棱两可的。在原对
称性相中某一对称元素的突然丧失将对应于发生相变，导致低对称性相的出 现。对称破缺意味着出现有序相，其序参量值不等于零。序参量为某一物理 量的平均值，可以是标量或矢量；在高温相它为零，在低温相为一有限值， 而临界温度Tc标志二级相变发生的温度。序参量被用来定性地和定量地描述 低对称相相对于原对称相的偏离。
重要的问题：
1. 用经典还是量子方法？判据？
2. 如何处理1029/m3量级的粒子数？周期结构； 3. 如何描写原子、电子之间的相互作用？多体问题。
固体物理学的复杂就在这里！ 需要新的物理概念和定律
10
§3 固体物理的发展历史、主要内容和我们的学习内容
固体物理学奠基于20世纪30年代。到了1940年，固体物理学的主干 业己建立，有待于进行综合性总结。其主要内容包括： 结构晶体学（基于X射线衍射与电子衍射） 晶格动力学（基于统计物理和量子论来研究固体的热性质） 固体能带理论（基于量子力学与统计物理来研究固体导电性） 固体磁性理论（基于用量子力学处理交换相互作用）
11
Seitz 影响深远的专著《近代固体物理论》于1940年问世标志了固
体物理进入成年期，也为随后的固体物理学教科书树立了样板。
(相变、晶体缺陷、表面界面以及超点阵和低维固体、非晶态固体）
12
§4
固体物理的范式
每一个科学发展阶段都有特殊的内在结构，而体现这种结构的模
型即“范式”（paradigm）。 集中体现在它的概念体系上。 固体物理学主要探讨具有周期结构特征的晶态物质的结构与性质 的关系。晶格动力学研究的是弹性波或晶格波在周期结构中的传播； 晶体中X射线衍射问题研究的是短波、长电磁波在周期结构中的传播 ；能带理论研究的是de Broglie波（电子）在周期结构中的传播 。 以上理论的共性在于：为了借助平移对称（周期性）引入的简化，都
两种体系的教材： 加州大学伯克利分校的Kittel (1953年出版，2004年已出到8版， 不断地增、删，重印) 康奈尔大学的Ashcroft (1976年出版，未再版，不断地重印) 国内出的固体物理学教材几乎都是Kittel系列的教材 唯有两本教材可以归于Ashcroft系列 清华大学，顾秉林，1989年第一版，未再版和重印 北京大学，阎守胜，2000年第一版，2004第二版，2011年第三版
的能带结构，而无需顾及核子的夸克结构。
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§7 关于参考书
教材：1．黄昆编著《固体物理学》 高等教育出版社
2. 陆栋、蒋平、徐至中等编著《固体物理学》 上海科技技出版社
参考书：
1． C.基泰尔（C.kittel）著《固体物理导论》 科学出版社
2．韦丹著《固体物理》 清华大学出版社
3．冯端、金国钧《凝聚态物理学》高等教育出版社
研究对象的尺寸：介观尺度
研究对象的数目：1023
研究的实验手段： 各种材料的制备手段、各种结构和物性的表征手段（ X光衍射、 电子显微镜、PPMS等） 研究的理论方法：量子力学与经典物理 （判据）
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固体物理研究的三个关键问题及其困难：
既然涉及到原子、电子层次，那么我们首先必须面对如下的三个
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谢 谢 ！
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P.W.Anderson (1972)，对还原论方法能否成立提出了疑问：“将万事万物还原成简单的基
本规律的能力，并不蕴含着从这些规律重建宇宙的能力· · · · · ·当面对尺度与复杂性的双重困难时重 建论的假设就崩溃了。其结果是大量基本粒子的复杂聚集体的行为并不能依据少数粒子的性质作
简单外推就能得到理解。取而代之的是在每一复杂性的发展层次之中呈现了全新的性质，从而我
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有版权的国外参考书的简评和建议
Solid State Physics, by N. W. Ashcroft and N. D.Mermin，世界图 书出版公司影印 美国很多大学的凝聚态物理类研究生教材。1976年出版后未 更新，新近发展缺。影印版也很贵，但将去美国深造的可选 Introduction to Solid State Physics, by C.Kittel，化学工业出版社 第8版有中文版，第5版也有中文版。 用简单物理讲解是其特色——避免使用量子和统计——无奈 之举，与美国大学本科生的基础相适应。
固体物理学的研究方法有什么特点？
固体将要(将被用于)解决什么问题？
以前的物理概念和定律还不够用吗？
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固体物理学是研究固体的结构和组成固体的结构粒子（原子、离子、 电子）之间相互作用与运动规律，以阐明固体材料的性能及用途的科学。
主要任务：微观层次上研究固体宏观性质、规律。
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研究对象：晶体、准晶、非晶
认为要理解这些新行为所需要作的研究，就其基础性而言，与其它相比也毫不逊色。”如此，每 一不同的聚集层次，都会展现全新的性质，这些性质已超出组成粒子的物理学的领域，可以被称
作层展性质。于是，还原论趋向逐渐为层展现象（emergent phenomena）的研究所取代。
事实上层展现象的精髓就在于不同物质结构的不同层次间耦合与脱耦的微妙的相互影响。 遗传学植根于DNA的分子结构，但无需顾及原子核的壳层结构；半导体的电导植根于固体中电子
2009年:
2010年: 2011年:
光纤通讯；
石墨烯； 超新星；
2012年：操纵单个量子粒子； 2013年： 希格斯玻色子（上帝粒子）；
2014年： 蓝光发光二极管（LED）
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§2
固体物理的研究对象和方法
以你现在的认识，你认为哪些物理现象或者问题是属于固体物理学将 要回答或者试图解释的？ 固体物理学的研究对象有什么特点？
如：弹道输运及隧穿输运等。由此而诞生的新领域：介观物理。
将电子自旋纳入范式后考虑到的，自旋极化的电子何格波及缺陷产生的自旋相 关散射。这构成了自旋电子学的物理基础。
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凝聚态物理的范式：
固体物理学向凝聚态物理学转变的过程中，Landau与Anderson扮演了非常 重要的角色。不仅由于他们所作的创造性理论贡献，也在于提炼和澄清了若干 基本概念，从而为凝聚态物理学奠定了基础。与原来的固体物理学的范式相比 较，这一新范式强调了多体效应，而对称残缺占据了中心位置。
采用Bloch波的表示方式，也都强调了波失（或）倒空间的重要性。
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非周期性挑战：对于含有少量杂质的晶体，Bloch波被单一座位上杂质原子的 散射就非常重要。弱无序体系、强无序体系，以及无序导致电子定域化的物理图像； 经典波的定域化问题；非均匀结构等。 具有边界的实际晶体的研究:表面物理学、低维物理学的研究。 与de Broglie波的相干效应有关的研究领域：如人工纳米结构（诸如超晶格、 量子阱、量子线、量子点及微环等）中涉及相干de Broglie波干涉效应的输运现象，
固 体 物 理
滕蛟
tengjiao@mater.ustb.edu.cn
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§1 与固体物理密切相关的“事”
半导体物理和微电子工业；纳米材料和纳米科学； 高温超导； 信息与通讯技术；
表面与界面；磁学；光伏产业 量子计算与通讯
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2007-2014年，4届诺贝尔物理学奖授于了凝聚态物理领域。
2007年: “巨磁电阻”效应； 2008年: 对称性破缺；
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§5 如何了解当前凝聚态物理的热点
主要期刊 学术网站 主要研究机构
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wenku.baidu.com
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物质的“层展现象”
由于物质结构实际上可划分为一系列的层次，各有其组成的“基本”粒子以
及其特有的长度尺度和能量尺度，而且诸多不同层次之间除了耦合之外，还存
在脱耦，从而使得从简单构筑复杂并不像过去还原论者想的那么容易。
凝聚态物理的基本概念：对称破缺、元激发、广义刚度、拓扑缺陷、绝热 连续性、重正化群等。 （Anderson，“凝聚态物理学的基本概念”，1984）
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Landau的对称破缺概念：
在特定的物态中，某一对称元素的存在与否是不容模棱两可的。在原对
称性相中某一对称元素的突然丧失将对应于发生相变，导致低对称性相的出 现。对称破缺意味着出现有序相，其序参量值不等于零。序参量为某一物理 量的平均值，可以是标量或矢量；在高温相它为零，在低温相为一有限值， 而临界温度Tc标志二级相变发生的温度。序参量被用来定性地和定量地描述 低对称相相对于原对称相的偏离。
重要的问题：
1. 用经典还是量子方法？判据？
2. 如何处理1029/m3量级的粒子数？周期结构； 3. 如何描写原子、电子之间的相互作用？多体问题。
固体物理学的复杂就在这里！ 需要新的物理概念和定律
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§3 固体物理的发展历史、主要内容和我们的学习内容
固体物理学奠基于20世纪30年代。到了1940年，固体物理学的主干 业己建立，有待于进行综合性总结。其主要内容包括： 结构晶体学（基于X射线衍射与电子衍射） 晶格动力学（基于统计物理和量子论来研究固体的热性质） 固体能带理论（基于量子力学与统计物理来研究固体导电性） 固体磁性理论（基于用量子力学处理交换相互作用）
11
Seitz 影响深远的专著《近代固体物理论》于1940年问世标志了固
体物理进入成年期，也为随后的固体物理学教科书树立了样板。
(相变、晶体缺陷、表面界面以及超点阵和低维固体、非晶态固体）
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固体物理的范式
每一个科学发展阶段都有特殊的内在结构，而体现这种结构的模
型即“范式”（paradigm）。 集中体现在它的概念体系上。 固体物理学主要探讨具有周期结构特征的晶态物质的结构与性质 的关系。晶格动力学研究的是弹性波或晶格波在周期结构中的传播； 晶体中X射线衍射问题研究的是短波、长电磁波在周期结构中的传播 ；能带理论研究的是de Broglie波（电子）在周期结构中的传播 。 以上理论的共性在于：为了借助平移对称（周期性）引入的简化，都