凝聚态物理学的历史发展和现状

凝聚态物理学的历史发展和展望

摘要：凝聚态物理学已经成为当今物理学中最大的、最重要的分支学科。其中很多活跃的领域的成果对日常生活产生了巨大的影响。本文对凝聚态物理学的历史发展过程简要的介绍，并且结合当今凝聚态物理学的现状作出展望。

关键词：凝聚态物理学历史发展现状展望

正文：

凝聚态是固态和液态的通称，凝聚态物理学是研究固体和液体的基础性学科。此外凝聚态物理学还研究介于固、液态之间的物态（例如液晶、玻璃、凝胶等）、稠密气体和等离子体，以及只在低温下存在的特殊量子态（超导体，玻色-爱因斯坦凝聚体等）。凝聚态研究的物质的尺度从几米到零点几纳米,时间范围为几十年到10-15秒,能量范围(以绝对温度来标志)从几千开到纳开,粒子数通常在1027—1021(接近于热力学极限),在有些特殊情况下也会遇到很少的粒子数(103—101)。这一物质层次的一部分是我们感官能够直接察觉到的,而其中的许多细节则可以借助各种显微技术来观察到。因而毫不奇怪,这一物理学分支会影响到我们的日常生活。

下面我们先来介绍一下凝聚态物理学的历史发展。

一．凝聚态物理学的历史发展

1. 凝聚态物理学的萌芽时期——固体物理学的建立

固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。

1928年,Bloch在处理周期结构中电子的传播时,提出了能带理论,从而使固体物理的范式基本建立,其核心概念是周期结构中波的传播。弹性波或晶格波的传播,属于晶格动力学;X射线在晶格中的传播,牵涉到X 射线衍射动力学;然后是de Broglie波,即电子在晶格中的运动,这类似于能带理论。考虑电子系统填充,若能带填满是绝缘体或半导体,若能带未填满则是导体。固体能带论与晶格动力学构成固体物理学两大理论支柱。40年代之后,由于范式的建立,固体物理学有了爆炸式的发展。近年来,此范式又有了新发展。人们关切电磁波的传播是否也存在能带和能隙。Yablonvitch等从实验上观察到,对某种微结构存在着微波辐照上的完整带隙。目前有关光子的能带和能隙结构已得到了证实。

固体物理学范式的进一步发展便是向非周期结构体系开拓。以合金为代表的取代无序体系的电子理论是能带理论的进一步发展,其保留了能带理论的框架,考虑多重散射,采用CPA方法,给出平均能带结构。1958年,Anderson明确提出无序导致电子局域化这一重要概念。无序达到一定程度,波不再传播,而产生局域化。Mott对Anderson局域化理论作了物理解释,成功地阐明了非晶半导体中电子行为。Anderson局域化理论成为固体电子理论的又一个里程碑。1984年发现准周期结构以及分形结构中波的传播都存在一些新现象。在低温下考虑波的相干性,电输运现象会出现一些新结果,在介观物理领域中观测到一系列反映量子相干性的效应。由此看来,固体物理学范式扩大,由周期结构到非周期结构,可以容纳许多物理学研究的新领域。

能带理论是建立在单电子近似的基础上的,也就是说忽略了电子间的相互作用。但实际上这种相互作用总是存在,因而在能带的计算中需要引入相应的修正项。50—60年代发展起来的电子密度泛函理论较好地处理了这一问题,朗道的费米液体理论也表明了其元激发(准粒子)仍和费米气体相似,而相互作用则导致这些粒子“穿衣戴帽”。但是电子的相互作用也可能导致质的跃变;交换相互作用引起了铁磁性与反铁磁性,电子与声子相互作用导致了电子的配对(BCS理论)而出现超导电性。另外,电子间的相互作用也引发了金属到绝缘体的转变(莫特转变)。这些工作引起科学家对相变问题的重视。也引导了从固体物理学渐变为凝聚态物理学。

2. 凝聚态物理学的诞生

70年代特别是80年代之后, 由于固体物理学和研究范围在不断扩大，其涉及的概念体系也开始变迁的转移，固体物理学这一名词常被“凝聚态物理学”所取代。固体物理学的不足之处是对粒子之间相互作用不够重视也变得非常明显，凝聚态物理学的诞生正好弥补其不足之处。

值得一提的是，在固体物理学向凝聚态物理学的转变过程之中,两位杰出的科学家,Landau与Anderson,

扮演了重要角色,不仅由他们所作的创造性的理论贡献,也在于提炼和澄清若干基本概念,从而为凝聚态物理学奠定基础。Landau在其二级相变理论中表述了对称破缺的概念并将序参量加以普遍化。Anderson(1963)在其“固体的概念”一书中强调了对称破缺与元激发的重要性，而在其随后出版的“凝聚态物理学的基本概念”(1984)一书中对许多基本概念,诸如对称破缺、元激发、广义刚度、拓扑缺陷、绝热连续性、重正化群等,给予了系统而富有洞见的论述。基于Landau、Anderson等的贡献,我们在这里试图明确地表述凝聚态物理学的新范式。和原先的范式相比较,这一新范式强调了多体效应，而对称破缺占据了中心地位。

二．凝聚态物理学的现状

我们先从一些数字来分析一下当今凝聚态物理学的近几十年的发展速度。

在1948年至1967年之间，诺贝尔物理学奖总共授奖20次，有37人获奖。严格地来说，在凝聚态物理学领域内的工作获奖的只有两次，共四人。一次是由肖克莱、巴丁与Brattain三人由于发明晶体管而获奖。这次的意义主要是完成了一项在理论指导下的实验工作，终于在技术上实现了重大的突破，从而改变人类社会的面貌，生动地说明了凝聚态物理学中理论、实验和技术三者的紧密联系。另外一次是由于朗道在凝聚态（特别是液氦方面）理论所进行的先驱性工作而获奖的。朗道的主要贡献是由于其一项工作奠定了从传统的团体物理学发展为凝聚态物理学，不仅使研究的对象有所扩大，而且也使得人们对于物质结构在概念上的统一性得到充分的认识。

在1968年至1987年，情况大为改变，总共授奖20次，获奖42人次，其中凝聚态物理学方面授奖8.5次，共19人次，已经接近授奖总人数的二分之一，超过了粒子物理学（6次）11人，跃居诸分支学科的首位，值得注意的是以研究超导的人居多（7人）。

凝聚态物理学经过几十年的发展成为了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。前沿研究热点层出不穷，新兴交叉分支学科不断出现，是凝聚态物理学科的一个重要特点；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。

近20年来凝聚态物理的研究热点：

1.超导体的研究

超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。

由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。

超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。

超导发电机在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。

磁流体发电机磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万～6万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。

超导输电线路超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。