凝聚态物理学：修订间差异
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一些日常生活中常见的设备正是基于凝聚体物理学的研究成果，比如[[半导体]][[晶体管]]<ref name=marvincohen2008 />及[[激光器]]等等<ref name=nap-cmp>{{cite book|last=Commission on Physical Sciences, Mathematics, and Applications|title=Condensed Matter Physics|year=1986|publisher=National Academies Press|isbn=978-0-309-03577-4|url=http://www.nap.edu/openbook.php?record_id=628&page=258}}</ref>。[[纳米技术]]涉及到的一些现象也在凝聚体物理学的研究范畴内<ref name=nato-lifshitz>{{cite journal|last=Lifshitz|first=R.|title=Nanotechnology and Quasicrystals: From Self-Assembly to Photonic Applications|journal=NATO Science for Peace and Security Series B|year=2009|series=Silicon versus Carbon|doi=10.1007/978-90-481-2523-4_10|isbn=978-90-481-2522-7|pages=119}}</ref>。像[[扫描隧道显微镜]]这样的设备已经被用来控制像{{le|纳米光刻|Nanolithography}}这样的纳米尺度过程<ref name=yeh-perspective>{{cite journal|last=Yeh|first=Nai-Chang|title=A Perspective of Frontiers in Modern Condensed Matter Physics|journal=AAPPS Bulletin|year=2008|volume=18|issue=2|url=http://www.its.caltech.edu/~yehgroup/documents/AAPPS_v18_no2_pg11.pdf|accessdate=2012-03-31|archiveurl=http://web.archive.org/web/20151231215516/http://www.its.caltech.edu/~yehgroup/documents/AAPPS_v18_no2_pg11.pdf|archivedate=2015-12-31}}</ref>。一些凝聚体系统具有实现[[量子计算]]的应用前景<ref name=clarkson-grant>{{cite web|last=Privman|first=Vladimir|title=Quantum Computing in Condensed Matter Systems|url=http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA327465|archiveurl=http://web.archive.org/web/20130408132708/http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA327465|archivedate=2013-04-08|publisher=Clarkson University|accessdate=2012-03-31}}</ref>，其中包括像[[量子点]]与[[超导量子干涉仪]]这样的实验系统，以及{{le|拓扑量子误差修正码|toric code}}与{{le|量子双体模型|quantum dimer model}}这样的理论模型<ref name=aguado-topology>{{cite journal|last=Aguado|first=M |author2=Cirac, J. I. |author3=Vidal, G. |title=Topology in quantum states. PEPS formalism and beyond|journal=Journal of Physics: Conference Series|year=2007|volume=87|doi=10.1088/1742-6596/87/1/012003|bibcode = 2007JPhCS..87a2003A|pages=012003 }}</ref>。凝聚体系统还可以用来提供[[相干性|相干]]、相敏环境。这一环境是实现量子信息存储的基础。[[自旋电子学]]是有关信息处理及传送的新的技术领域。相关技术基于电子自旋，而非惯常使用的电子输运。[[生物物理学]]领域也常常运用到凝聚体物理学的研究结果，例如在医学诊断中受到广泛应用的[[磁共振成像]]技术。<ref name=yeh-perspective /> |
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2016年1月14日 (四) 04:54的版本
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| 凝聚态物理学 |
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凝聚体物理学是有关物质凝聚相性质的物理学分支[1]。该领域的研究者力图通过物理学定律来解释凝聚相物质的行为。其中，量子力学、电磁学以及统计力学的相关定律对于该领域尤为重要。
固体以及液体是人们最为熟悉的凝聚相。除了这两种相之外，凝聚相还包括一些特定的物质在低温条件下的超导相、晶体与自旋有关的铁磁相及反铁磁相、超低温原子系统的玻色-爱因斯坦凝聚相等等。对于凝聚体的研究包括通过实验手段测定物质的各种性质，以及利用理论方法发展数学模型以深入理解这些物质的物理行为。
由于尚有大量的系统及现象亟待研究，凝聚体物理学成为了目前物理学最为活跃的领域之一。仅在美国，该领域的研究者就占到该国物理学者整体的近三分之一[2]，凝聚体物理学部也是美国物理学会最大的部门[3]。此外，该领域还与化学，材料科学以及纳米技术等学科领域交叉，并与原子物理学以及生物物理学等物理学分支紧密相关。该领域研究者在理论研究中所采用的一些概念与方法也适用于粒子物理学及核物理学等领域。[4]
晶体学、冶金学、弹性力学以及磁学等等起初是各自独立的学科领域。这些学科在二十世纪四十年代被物理学家统合为固体物理学。二十世纪六十年代，有关液体物理性质的研究也被纳入其中，形成了新的一门学科——凝聚体物理学。[5]据物理学家菲利普·安德森的描述，“凝聚体物理学”这一术语是由他与福尔克尔·海涅引入的。1967年，他们将位于卡文迪许实验室的研究组的名称由“固体理论”改为“凝聚体理论”。二人觉得原来的名称并没有涵盖他们对于液体以及核物质等方面的研究。[6][7]尽管他们普及了“凝聚体”这一术语，但这一术语此前已经出现在欧洲学界。较为著名的例子是施普林格公司于1963年创建的期刊《凝聚体物理学》（英語：Physics of Condensed Matter）。[8]二十世纪六七十年代的资金环境以及各国政府采取的冷战政策促使相关领域的物理学家接纳了“凝聚体物理学”这一术语。他们认为这一术语相对于“固体物理学”而言更为突出了固体、液体、等离子体以及其他复杂物质研究之间的共通性。这些研究与金属和半导体在工业上的应用息息相关。[9]贝尔实验室是最早开展凝聚体物理学研究项目的研究机构之一[5]。
“凝聚体”这一术语在更早的文献中即已出现。例如，在1947年出版的由雅科夫·弗伦克尔撰写的专著《液体动力学理论》（英語：Kinetic theory of liquids）的绪论中，他提出：“液体动力学理论日后也将发展为固体动力学理论的推广与延伸。实际上，更为正确的做法或许是将液体与固体统归为‘凝聚体’。”[10]
历史
经典物理学
英国化学家汉弗里·戴维是凝聚体物理学的先驱之一。他在十九世纪初即进行了相关的研究。戴维发现当时已知的40种化学元素中有26种元素的单质具有像表面有金属光泽，延展性强，电导率及热导率高这样金属共有的性质。[11]这意味着原子可能并不像约翰·道尔顿所预见的那样不可分，而是具有内部结构。戴维进一步提出像氮气以及氢气这样常温常压下为气体的单质，在一定的条件下可以液化，并且液化后它们也会具有一定的金属性。[12][a]
当时还是戴维实验室的助手的迈克尔·法拉第在1823年实现了氯气的液化，并随后又实现了除氮、氢、氧外其他已知元素气体单质的液化[11]。1869年，爱尔兰化学家托马斯·安德鲁斯在对液体到气体的相变进行了一定的研究后，引入了临界点这一概念来描述系统同时具有液体与气体特性时的条件[14]。随后，荷兰物理学家约翰内斯·范德瓦耳斯提出了在较高温度下令系统出现临界行为的理论框架[15]。1908年，詹姆斯·杜瓦与海克·卡末林·昂内斯分别实现了氢气与氦气的液化[11]。
保罗·德鲁德提出了首个金属内电子运动的经典模型[4]。德鲁德在其模型中以金属中电子的行为类似气体分子为出发点描述了金属的一些性质。德鲁德模型也是首个能够解释像维德曼–夫兰兹定理这样的经验定律的微观模型。[16][17]尽管德鲁德模型取得了一定的成功，但其仍不能解释一些重要问题，如电子对于金属热容的影响，以及低温条件下电阻率与温度的关系[18]。
1911年，在实现氦气液化三年后，当时在莱顿大学工作的昂内斯发现了汞的超导性。他发现在温度低于某一特定值时，汞的电阻率变为零[19]。这一现象震惊了当时顶尖的理论物理学家，并在随后的几十年中一直是未解之谜[20]。1922年，阿尔伯特·爱因斯坦这样评价当时对于超导的理论解释：“目前我们对于复合系统的量子力学的深远意义仍一无所知。在这些模糊的概念的基础上，我们距离构造出（能描述超导现象的）理论的目标仍很遥远。”[21]
量子力学的引入
德鲁德的经典模型后来得到了费利克斯·布洛赫、阿诺·索末菲及沃尔夫冈·泡利等人的补充修正。他们利用量子力学的原理与方法描述周期性晶格中电子的运动。其中，索末菲提出的考虑到电子遵守的费米-狄拉克统计的理论比较完满地解决了金属的热容及电阻率的问题。[18]马克斯·冯·劳厄与保罗·克尼平等人对晶体的结构进行了研究。他们观察了晶体的X射线衍射图样，发现晶体的周期型结构来源于其中的原子构成的晶格。[22]奥古斯特·布拉菲与叶夫格拉夫·费奥多罗夫等人发展了晶体结构的数学模型。他们通过这一模型将晶体结构依据它们所在的空间对称群进行分类。1935年，首个晶体结构分类表出版发行。它是日后发行的一系列《国际晶体学表格》（英語：International Tables of Crystallography）的基础。[23]物理学家于二十世纪三十年代引入能带结构计算方法来预测新材料的性质。1947年，约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿及威廉·肖克利制成了首个基于半导体的晶体管。这项创举引发了电子工程学的一次革命。[4]
1879年，当时在约翰霍普金斯大学工作的埃德温·霍尔发现：当外磁场不平行于导体中的电流密度时，导体会产生一个同时垂直于电流密度及外磁场磁感应强度的电场，以抵消外磁场对于导体内电荷载子的影响。[24]这种源于导体中电荷载子自身性质的现象就是有名的霍尔效应。但这一现象在当时并没有得到完满的解释。因为电子是在18年后才被约瑟夫·汤姆孙在实验中发现。在量子力学建立后，列夫·朗道于1930年分析了磁场对于二维电子气体的影响。他提出：在恒定均匀磁场中，电子会在垂直于磁场的平面内做圆周运动,并且这种运动是简谐的；电子能量是量子化的，形成朗道能级。[25][26][27]
物质的磁性自史前时代就已为人们所熟知[28]。然而，近代的磁学研究直至十九世纪法拉第及麦克斯韦创立电动力学后才正式起步。相关的研究包括基于物质磁化过程的不同将它们区分为铁磁性物质、顺磁性物质或是抗磁性物质。[29]皮埃尔·居里曾研究过磁化强度与温度的关系，并发现了铁磁性物质相变的居里点[28]。1906年，皮埃尔·外斯引入了磁畴这一概念来解释铁磁性物质的主要特性[30]。威廉·楞次与恩斯特·伊辛共同创立的伊辛模型是首个自微观层面描述物质磁性的数学模型。他们将磁性物质看作是由周期性自旋晶格组成的，而物质的磁性则是这些晶格整体的效应[28]。通过伊辛模型，人们可以精确地得出自发磁化在一维晶格中并不会发生，而只能产生在更高维的晶格中。后续更为深入的研究包括布洛赫提出的自旋波以及路易·奈尔就反铁磁性所做的研究等等。这些研究催生了新的磁材料以及受到广泛应用的磁儲存设备。[28]
现代多体物理学
| 现代物理学 |
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| 历史 |
二十世纪三十年代，索末菲模型与铁磁性物质的自旋模型向物理学家展示了量子力学方法在解决凝聚体物质问题时的有效性。然而，那时还有一些尚未解决的问题，其中较为突出的是物质超导性的描述与近藤效应。[31]第二次世界大战后，物理学家开始采用量子场论的一些方法来解决凝聚体物质问题。其中较为有名的事例是准粒子这一概念的引入，及其对于固体内集体激发问题的解决。俄罗斯物理学家列夫·朗道也采用这一方法解决了低温条件下费米子间相互作用的问题。他所引入的准粒子现在被物理学家称作“朗道准粒子”。[31]朗道还发展了连续相变的平均场论。这一理论以自发对称性破缺来描述有序相，同时引入序参数这一概念来区分有序相。[32]1965年，约翰·巴丁、利昂·库珀与约翰·施里弗基于电子间轻微的引力可能会使两个电子形成“库珀对”这一现象，提出了BCS理论，最终从理论上解释了超导现象[33]。
临界现象是二十世纪六十年代的研究热点之一。这一研究方向主要是关于系统的相变以及可观测的临界行为。[34]利奥·卡达诺夫、本杰明·维多姆及迈克尔·菲舍尔提出了临界指数及维多姆标度等方法。这些方法后来于1972年由肯尼斯·威耳逊以量子场论中重正化群的形式进行了整合。[34]
1980年，克劳斯·冯·克利青发现低温下强磁场中二维电子气的霍尔电导率是一个常数的整数倍。这一现象就是量子霍尔效应。[35]并且他还发现这一现象与系统尺寸及杂质含量无关。1981年，罗伯特·劳夫林基于系统的拓扑不变性利用陈-西蒙斯理论提出了这种整数态的理论描述。[36]1982年，霍斯特·施特默与崔琦发现了分数量子霍尔效应，即霍尔电导率是那个常数的有理数倍。劳夫林在第二年发现这一现象源于霍尔态中准粒子的相互作用，并利用变分法得出对于这一现象的理论解释，即劳夫林波函数。[37]分数量子霍尔效应的拓扑性质仍是目前的研究热点之一。
由丹·谢赫特曼发现的准晶体是晶体学的一项创举。1982年，谢赫特曼观察到一些金属合金出现异乎寻常的衍射图谱。这些衍射图谱显示这些合金的结构是有序的，但却不具备平移对称性。在准晶体被发现后，国际晶体学联合会考虑到非周期性结构调整了对于晶体的定义。[38]对于软物质的研究在二十世纪下半叶也取得了一些重大的进展。其中值得一提的是保罗·弗洛里及皮埃尔-吉勒·德热纳等人对于像聚合物及液晶这样的软物质的热力学平衡的研究。[39]
1987年，卡尔·米勒与约翰内斯·贝德诺尔茨发现了首个高温超导体。这种材料在{{val}}错误：参数2非有效数字。的温度下也具有超导性。后来物理学家发现它是强相关材料的一种[40]。高温超导体的发现引起了物理学界对于强相关材料的兴趣[41] 。在这种材料中，电子间的相互作用对于材料的特性有很大的影响[40]。但目前，物理学家仍不能从理论上得到对于高温超导体性质完善的解释，而强相关材料也将在一段时期里会是研究热点之一。
2012年，一些研究者发现六硼化钐可能是一种拓扑绝缘体[42]。其所具有的一些性质与早前对于拓扑绝缘体的理论预言相吻合[43]。此前人们已经知道六硼化钐是一种近藤绝缘体，即强相关电子材料。如果其内部存在拓扑界面态的话，那么它就会是一种具有强电子相关性的拓扑绝缘体。
凝聚体物理学目前的研究焦点包括强相关材料，量子相变以及量子场论在凝聚体系统中的应用。目前所要解决的问题包括高温超导性、拓扑有序以及石墨烯与碳纳米管这样的新型材料的理论描述。[44]
理论研究
理论凝聚体物理学旨在通过建立理论模型来使人们理解物质状态特性。这包括建立固体的电子模型，例如德鲁德模型、能带结构模型以及密度泛函理论。理论凝聚体物理学研究者还发展了相变的理论模型，例如金兹堡－朗道方程、临界指数以及量子场论及重正化群的数学技巧的应用。现代的理论研究还包括电子结构的数值计算以及使用数学理论来理解高温超导、拓扑相以及规范对称性这样的现象。
涌现
固体电子理论
对称性破缺
相变
实验研究
实验凝聚体物理学旨在使用实验探针来去发现物质的新特性。实验中使用到的探针包括电磁学现象，测量系统的响应函数、 输运特性以及温度等等。[45] 目前受到广泛应用的实验手段包括利用X射线、红外线以及中子束这样的探针得到的图谱，与研究物质热容这样的热响应以及系统的热传导情况等等。
散射
外磁场
在实验凝聚体物理学领域，外磁场是一种可以影响到材料系统状态、相变及一些属性的热力学变量[46]。核磁共振是一种利用外磁场得出个别电子的共振模式从而得出原子、分子及其与邻域化学键信息的实验手段。核磁共振实验需要在大约65 T这样强的磁场中才能进行[47]。量子振荡是另一种利用强磁场探测物质费米面等性质的实验手段[48]。此外，强磁场中的量子霍尔效应也可以用来探测像陈-西蒙斯角这样的拓扑性质[49]。
低温原子气体
应用
一些日常生活中常见的设备正是基于凝聚体物理学的研究成果，比如半导体晶体管[4]及激光器等等[49]。纳米技术涉及到的一些现象也在凝聚体物理学的研究范畴内[50]。像扫描隧道显微镜这样的设备已经被用来控制像纳米光刻这样的纳米尺度过程[44]。一些凝聚体系统具有实现量子计算的应用前景[51]，其中包括像量子点与超导量子干涉仪这样的实验系统，以及拓扑量子误差修正码与量子双体模型这样的理论模型[52]。凝聚体系统还可以用来提供相干、相敏环境。这一环境是实现量子信息存储的基础。自旋电子学是有关信息处理及传送的新的技术领域。相关技术基于电子自旋，而非惯常使用的电子输运。生物物理学领域也常常运用到凝聚体物理学的研究结果，例如在医学诊断中受到广泛应用的磁共振成像技术。[44]
另见
注释
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延伸阅读
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