浅谈凝聚态物理学的历史发展与研究.docx

浅谈凝聚态物理学的历史发展与研究摘要：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。当代物理学把固态物质和液态物质统称为凝聚态物质。本文就凝聚态物理的内容和发展进行综合性的概述。关键词：凝聚态 凝聚态物理 固体物理 超导物理 引言: 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,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.一、凝聚态物理学的历史和发展凝聚态物理学起源于19世纪固体物理学和低温物理学的发展。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。随着液体物理，半导体物理，超导物理，纳米材料等科学的发展，凝聚态物理学逐渐成为物理学科内一门不可或缺的分支。1.1. 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。19世纪，人们对晶体的认识逐渐深入。1840年法国物理学家奥古斯特·布拉维导出了三维晶体的所有14种排列方式，即布拉维点阵。1912年，德国物理学家冯·劳厄发现了X射线在晶体上的衍射，开创了固体物理学的新时代，从此，人们可以通过X射线的衍射条纹研究晶体的微观结构。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。1.2凝聚态物理学的发展——诸多物理学科的融入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。从固体物理到凝聚态物理，凝聚态物理学的内容不断被充实、拓展，进而融入了液体物理，半导体物理，超导物理，纳米材料等，凝聚态物理逐渐成为了一门十分重要的物理学科。1.3凝聚态物理学的现状——最重要的分支学科之一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。近年，对于凝聚态物理的研究方向主要有：高温超导及相关强关联体系的基本电子