凝聚态物理学 专门研究物质凝聚 的物理性质。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。
固相 以及 液相 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 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。对于凝聚态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,凝聚态物理学成为了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,凝聚态物理学部也是 美国物理学会 最大的部门。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 核物理学 等领域。
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 。时间进入二十世纪六十年代后,有关液体物理性质的研究也被纳入其中,形成凝聚态物理学这一新学科。据物理学家 菲利普·安德森 所述,术语“凝聚态物理学”是他和福尔克尔·海涅首创。1967年,他们把位于 卡文迪许实验室 的研究组名称由“固体理论”改为“凝聚态理论”。二人觉得原来的名称并没有涵盖液体及 核物质 等方面研究。但是,“凝聚态”这一术语此前已在欧洲学界出现,只是由他们普及而已。较为著名的例子是施普林格公司于1963年创建的期刊《凝聚态物理学》(英语: Physics of Condensed Matter )。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物理学家接纳了“凝聚态物理学”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。 贝尔实验室 是最早开展凝聚态物理学研究项目的研究机构之一。
“凝聚态”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》(英语: 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‘凝聚态’。
海克·卡末林·昂内斯与约翰内斯·范德瓦耳斯在 氦气 的液化泵旁(1908年摄于莱顿)
英国化学家 汉弗里·戴维 是凝聚态物理学的先驱之一。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种元素的单质具有一些共有的性质,如表面有 金属光泽 延展性 强、 电导率 热导率 高。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,并且它们液化后也会具有一定的金属性。
1823年,当时还是戴维实验室的助手的 迈克尔·法拉第 实现了 氯气 的液化,并随后又实现了除氮、氢、 外其他已知元素气体单质的液化。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。随后,荷兰物理学家约翰内斯·范德瓦耳斯提出了 范德瓦耳斯方程 ,为后来较高温度下的测量结果预测系统临界行为提供理论基础。1898年, 詹姆斯·杜瓦 实现了氢气的液化。十年后, 海克·卡末林·昂内斯 实现了 氦气 的液化。
保罗·德鲁德在1900年提出了首个金属内电子运动的 经典 模型。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。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,金属的磁性质,以及低温条件下 电阻率 与温度的关系。
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 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。这一现象令当时顶尖的 理论物理学家 感到震惊,并在随后的几十年中一直是未解之谜。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。”

凝聚态 量子力学的引入

德鲁德的经典模型后来得到了 沃尔夫冈·泡利 阿诺·索末菲 费利克斯·布洛赫 等人的补充修正。泡利首先意识到自由电子在金属内部的行为必须遵守 费米-狄拉克统计 。基于这个思路,他在1926年发展出顺磁性理论。泡利开启了现代固体物理学的发展。同年,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问题。两年后,布洛赫利用 量子力学 的原理与方法来描述在周期性晶格中的电子的运动,说明连续能带的形成机制。1931年,亚兰·威尔逊发表论文阐明半导体的物理性质:半导体是 带隙 较为狭窄的 绝缘体 ,被激发的电子可以从 价带 跳过带隙至 导带 进行导电。1933年,索末菲与 汉斯·贝特 对于金属量子力学理论给出权威评论,详细论述了整个那时期的发展。1947年, 约翰·巴丁 沃尔特·布拉顿 威廉·肖克利 制成了首个基于 半导体 晶体管 。这项创举引发了 电子工程学 的一次革命。
首个点接触型 晶体管 的仿制品(藏于贝尔实验室)
1879年, 约翰霍普金斯大学 的埃德温·霍尔做实验实现 詹姆斯·麦克斯韦 在著作《电磁通论》里提出的论述。霍尔发现,当外磁场垂直于导体中的 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的 电场 ,以抵消外磁场对于导体内电荷载子的 影响 。这种源于导体中电荷载子的正负电性及其它性质的现象就是有名的 霍尔效应 。但这一效应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。虽然后来发展出的经典理论可以解释从实验得到的关于碱金属与某些其它金属的霍尔系数,它不能解释电荷载子的正负电性。1929年,鲁道夫·佩尔斯对于正霍尔效应给出理论解释。在正霍尔效应里,电流载子带有正价。佩尔斯表示,这是因为在能带边缘区域的电子,其物理行为貌似带有正价。隔年, 列夫·朗道 分析了磁场对于二维电子气体的影响。他提议,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 。这论述基础地解释了后来于1980年实验发现的 量子霍尔效应
早在公元4000年前的中国,物质的磁性就已为人们所熟知。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。 皮埃尔·居里 曾研究过 磁场 与温度的关系,并发现了铁磁性物质相变的 居里点 。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。1925年,乔治·乌伦贝克与萨缪尔·高斯密特合作发现了 电子 自旋 。同年, 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。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 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储存设备。
图为在 高温超导体 悬浮 磁铁 。现在的物理学家有使用 AdS/CFT对偶 来研究高温超导现象。
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 在解决凝聚态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 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态物质问题。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”。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。1965年, 约翰·巴丁 利昂·库珀 与约翰·施里弗,基于两个 自旋 相反的电子彼此之间由于 声子 媒介而相互吸引,因此形成“ 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。
量子霍尔效应 :霍尔电阻率在不同方向上的分量各自作为外磁场的函数。
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。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。
1980年, 克劳斯·冯·克利青 发现 量子霍尔效应 ,即在低温下强磁场中,二维电子气的霍尔电导是一个基础常数的整数倍。这基础常数称为电导量子,e/h;其中,e是 基本电荷 ,h是 普朗克常数 。他还发现这一现象与像杂质含量或界面性质等的系统不规则之处无关,只与电导量子有关。翌年,罗伯特·劳夫林对于这未曾预料到的高精密度整数结果给出理论解释,虽然他并未明确指出,但这理论意味着霍尔电导可以用一个称为陈省身数的拓扑不变性来描述。1982年,霍斯特·施特默与 崔琦 发现了 分数量子霍尔效应 ,即霍尔电导是电导量子的有理数倍。分数量子霍尔效应与整数量子霍尔效应的物理机制不同,后者可以忽略电子间的相互作用,而前者必须假定电子间的相互作用,需要用“多电子波函数”来解释。隔年,劳夫林利用 变分法 得出劳夫林波函数,从而对于这一效应给出理论解释,并且说明这理论会导致带有分数电荷的准粒子。物理学者称这准粒子为复合费米子,并且阐明,电子的 分数量子霍尔效应 可以诠释为复合费米子的整数霍尔效应。分数量子霍尔系统展示出的各种物理现象仍是研究热点之一。
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。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 皮埃尔-吉勒·德热纳 等人对于像 聚合物 液晶 这样的软物质的 热力学平衡 的研究。
自从发现超导现象后以来,物理学者不断尝试提升其 转变温度 。1986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 ,转变温度为35K温度。后来物理学家发现它是强相关材料的一种。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。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。但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 。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。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。
凝聚态物理学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态系统中的应用。所要解决的问题包括高温超导性、拓扑有序以及 石墨烯 碳纳米管 这样的 新型材料 的理论描述。

凝聚态 涌现

主条目: 涌现
涌现 是理论凝聚态物理学中一个重要的概念。它是指粒子在生成复合体时物理行为所发生的剧烈变化。比如人们尽管对于单一电子及晶格的微观性质已经有了充分的认识,但对由这些单一客体组成的高温超导体所显示出的一系列现象却并不能给出较好的解释。涌现与还原是两种完全对立的概念。根据 还原论 ,只要能找到主导万物的大自然定律,则可知道宇宙的奥秘。
近期,物理学者发现,在某些凝聚态物理学案例里,集体激发的物理行为貌似 真空 里的光子、电子、 胶子 夸克 。这意味着这些基础粒子源自于同样的机制,即在真空里的弦网凝聚(string-net condensation)。从这机制产生的物理行为是一种涌现现象。涌现特性还可能发生在材料界面,比如铝酸镧-钛酸锶界面,假设将铝酸镧与钛酸锶这两块非磁绝缘体连接在一起,则会令人茫然费解地出现导电性、超导性及铁磁性。

凝聚态 固体电子理论

主条目: 能带结构
物质的金属态历来是固体性质研究的一个重要的组成部分。 德鲁德模型 是对于金属的第一个理论描述。这一模型认为:移动于金属内部的电子,其物理行为就好像 理想气体 。德鲁德模型可以解释 维德曼–夫兰兹定理 ,即各种金属的 热导率 电导率 的比率跟温度呈正比,但是,它对于金属 比热 给出自相矛盾的结论无法解释。这一经典模型后来由索末菲通过引入 费米-狄拉克统计 进行了改进,得到了半经典的 自由电子模型 。这一模型能够更精准地解释维德曼–夫兰兹定理,也能够粗略解答金属 比热 问题,但是它依然无法解释为什么自由电子的假设能够适用于金属这一基础问题。另一方面, 马克斯·冯·劳厄 与保罗·克尼平等人早在1912年就对金属的结构进行了研究。他们通过观察到晶体的 X射线衍射 图样总结出:金属的周期型结构来源于其中的原子构成的 晶格 。瑞士物理学家布洛赫将量子力学理论应用于金属,又将金属晶格近似为周期势场,从而得出了周期势场中 薛定谔方程 的解,即 布洛赫波 ,是由与周期势场具有一致周期的周期函数乘上自由电子的 波函数 后得到,这意味着电子可以自由地移动于晶格。从这点上,他获得很多与实验结果相符合的重要结果,因此奠定了金属的量子力学理论基础。
通过解析多体系统的波函数来计算金属的电子结构通常是一件非常困难的工作,因此必需使用近似技术来获得有意义的理论预测。卢埃林·托马斯与恩里科·费米在二十世纪二十年代提出托马斯-费米模型,其通过将定域电子密度看作变分参量来估算系统的能量与电子密度。由于托马斯-费米模型并没有将“交换对称能量”与“电子-电子相关能量”纳入考量,它无法预测由分子与固体的稳定存在。二十世纪三十年代,道格拉斯·哈特里、弗拉基米尔·福克及约翰·斯莱特对托马斯-费米模型加以改进,提出了 哈特里-福克方程 ,其特别考虑到电子波函数间的 交换对称性 。通常而言,哈特里-福克方程很难使用,只有对于 自由电子 案例,可以获得完全解析解。在1964年至1965年之间, 沃尔特·科恩 、皮埃尔·奥昂贝格和 沈吕九 提出了两篇关于 密度泛函理论 的开创性论文,对于金属的块体性质及界面性质给出较为精准的描述。密度泛函理论自二十世纪七十年代就已广泛地应用在固体的能带结构计算。
凝聚态物理学 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。凝聚态物理的研究对象除晶体、 非晶体 准晶体 等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相,例如 液氦 、液晶、 熔盐 液态金属 电解液 、玻璃、凝胶等。经过半个世纪的发展,已形成了比固体物理学更广泛更深入的理论体系。特别是八十年代以来,凝聚态物理学取得了巨大进展,研究对象日益扩展,更为复杂。一方面传统的固体物理各个分支如金属物理、半导体物理、 磁学 、低温物理和电介质物理等的研究更深入,各分支之间的联系更趋密切;另一方面许 多新的分支不断涌现,如 强关联电子体系 物理学、 无序体系 物理学、 准晶 物理学、 介观 物 理与 团簇 物理等。从而使 凝聚态物理学 成为当前物理学中最重要的分支学科之一,从事凝聚态研究的人数在物理学家中首屈一指,每年发表的论文数在物理学的各个分支中居领先位置。凝聚态物理学正处在枝繁叶茂的兴旺时期。并且,由于凝聚态物理的基础性研 究往往与实际的技术应用有着紧密的联系,凝聚态物理学的成果是一系列新技术、新材料和新器件,在当今世界的高新科技领域起着关键性的不可替代的作用。二十世纪八十年代后凝聚态物理学的研究成果、研究方法和技术日益向相邻学科渗透、扩展,有力的促进了诸如化学、物理、生物物理和地球物理等 交叉学科 的发展。液体和固体两种凝聚态,其体积随压力和温度的变化均较小,即等温 压缩率 和体膨胀系数都较小,故在通常的物理化学计算中常忽略其体积随压力和温度的变化