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凝聚态物理

凝聚态物理学(condensed matter physics)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 。

凝聚态物理是研究凝聚态物质的结构和组成粒子(如原子、分子、离子、电子)之间相互作用与运动规律,从而阐明其性能和用途的科学,其涉及的种类繁多,如半导体、超导体、晶体、磁性物质等。而凝聚态物理学,作为当前物理学中最大、最活跃的分支学科之一,在许多学科领域乃至最前沿的高新科学技术领域中都发挥着至关重要的作用,为发展新材料、新技术、新工艺等提供了强有力的理论支撑。

随着交叉学科的发展和技术需求的提高,凝聚物理的研究范围更加广阔,技术要求更加精密。凝聚态物理的主要研究方向有以下几种。

软物质物理学软物质概念于 1991 年提出,也称为复杂液体。软物质一般是由大分子或基团组成的,介于固体和液体之间的物相。一些常见的物质,如液晶、胶体、膜,生命体系物质诸如蛋白质、DNA、细胞等,都属于软物质。和由内能驱动的硬物质不同,软物质的组织结构变化主要由熵驱动,变化过程中内能的变化很微小。

宏观量子态宏观量子态是指用量子力学来描述宏观体系的状态,如超导中的电子库珀对。宏观量子态具有典型的量子力学性质,当前宏观量子态领域研究的重点为耗散现象和退相干现象。

介观是指介于宏观和微观之间的体系。介观物理学所研究的物质大小与纳米科技的研究尺度有很大重合,所以这一研究方向也常称之为“介观物质和纳米科技”。

固体电子论中的关联区凝聚态物理的前身固体物理学研究的核心问题,就是固体中的电子行为。固体中的电子行为可根据电子间相互作用的大小分为三个区域,分别是强关联区、中等关联区和弱关联区。现今研究固体电子论的大部分学者研究方向都是强关联系统。

研究凝聚态物质的原子之间的结构、电子态结构以及相关的各种物理性质。研究领域包括固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理(包括薄膜物理、表面与界面物理和高分子物理)、液体物理、微结构物理(包括介观物理与原子簇)、缺陷与相变物理、纳米材料和准晶等 。

凝聚态物理主要从两个方面体现其重要性:一方面体现为与相邻学科(如粒子物理学)之间在概念、方法、技术等方面的渗透,促进材料科学、能源科学、环境科学等交叉学科的发展,并日益显现出其强大的发展潜力。另一方面为研发和制备新型材料提供了强有力的理论数据和实验支持,同时也为开发和拓展新领域提供了极具实用性的科学理论依据。

目前凝聚态物理的主要研究现象有超导、光谱、弱相互作用、磁性研究(微磁学、铁磁学、相图、磁阻、巨磁阻抗效应等)、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、霍尔效应等。凝聚态物理所用的理论依据主要源于相变与临界现象的理论,成熟完备的量子力学则是其坚定可靠的理论基石,在这两种理论之下,凝聚态物理根植于相互作用的多粒子理论。凝聚态物理的前身固体物理学中的一个重要理论依据是能带理论。目前来说一些常用的理论方法有很多,比如蒙特卡洛方法、波尔茨曼模型、分子动力学模拟、伊辛模型、有效场、平均场,等等。

太阳能电池和纳米器件是凝聚态物理研究在器件方面取得的较为突出的两类成就。而在材料方面,凝聚态物理的研究成果则更为明显,比如超导体、拓扑绝缘材料、纳米材料、电子陶瓷材料、复合热电材料、自旋液体、薄膜材料、碳材料(碳化薄膜,石墨烯,石墨炔等),等等。还有很多根据凝聚态物理的特性制备出来的极具效用的成果,比如利用粒子的隧道效应制备的隧道结夹层结构,利用量子点制备单电子晶体管和微腔激光器,利用磁铁和非磁金属制备磁量子阱,等等。当然,凝聚态物理方面取得的成就远不止这些,还有很多相当具有发展潜力的成就和研究成果值得我们去深入研究和发掘。

基础科学一直以来是科学技术发展的基础和推手。凝聚态物理作为一门基础学科,诠释客观物质世界存在的现象和规律,也为人们预测和创造新的事物提供理论依据和操作指导 。


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