凝聚態(tài)物理學(xué)（condensed matter 物理學(xué)）是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、微觀運(yùn)動(dòng)、物理性質(zhì)及其相互關(guān)系的物理學(xué)分支學(xué)科。凝聚態(tài)物理學(xué)是固體物理學(xué)的向外延拓，其研究對(duì)象不僅包括固體物質(zhì)，還包括如液態(tài)金屬、液晶等液態(tài)物質(zhì)以及玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的玻色氣體和量子簡(jiǎn)并的費(fèi)米氣體等氣體物質(zhì)，涵蓋了行空間和動(dòng)量空間兩個(gè)子空間的凝聚態(tài)。此外，凝聚態(tài)物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要包括晶體結(jié)構(gòu)、電子體系、界面和表面物理學(xué)、宏觀量子態(tài)、納米結(jié)構(gòu)與介觀物理、軟物質(zhì)物理學(xué)等。
早在18世紀(jì)，法國(guó)礦物學(xué)家阿維（René-Just Haüy）對(duì)晶體外部幾何規(guī)則性就有一定的認(rèn)識(shí)，1823年，邁克爾·法拉第在低溫下成功實(shí)現(xiàn)了氯氣的液化，并隨后又實(shí)現(xiàn)了二氧化硫、二氧化碳、氨、氯化氫等的液化。熊夫利（A.M.Schoenflies）在1891年建立了晶體對(duì)稱性的群理論，為固體物理理論的形成提供基本的理論依據(jù)。20世紀(jì)初量子力學(xué)的誕生為固體物理學(xué)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，科學(xué)家們開(kāi)始利用量子力學(xué)的理論來(lái)解釋固體和液體的性質(zhì)和現(xiàn)象，如晶格振動(dòng)、電子結(jié)構(gòu)和磁性等。1908年荷蘭物理學(xué)家海克·昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）成功地液化了氦氣，到了20世紀(jì)40年代物理學(xué)家將各自獨(dú)立的晶體學(xué)、冶金學(xué)、彈性力學(xué)和磁學(xué)等學(xué)科統(tǒng)合為固體物理學(xué)，至此，固體物理學(xué)已基本建立。隨著固體物理學(xué)的迅猛發(fā)展，其研究對(duì)象從固體物質(zhì)到液態(tài)物質(zhì)和某些特殊的氣態(tài)物質(zhì)，因此，固體物理學(xué)這一名稱已不足以概括整個(gè)研究領(lǐng)域，而擴(kuò)展成為“凝聚態(tài)物理學(xué)”，到了80~90年代它逐漸取代了固體物理學(xué)作為學(xué)科名稱或者將固體物理學(xué)理解為凝聚態(tài)物理學(xué)的同義詞。
凝聚態(tài)物理學(xué)的應(yīng)用性較強(qiáng)，是材料、信息、能源科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，其中金屬物理學(xué)的發(fā)展大力推動(dòng)了鋼鐵等重工業(yè)生產(chǎn)，半導(dǎo)體的研究帶來(lái)了“信息文明”的進(jìn)步，晶體學(xué)的研究應(yīng)用于軍事、激光等領(lǐng)域，尤其是納米材料的研究廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、能源科學(xué)等領(lǐng)域。在未來(lái)的信息社會(huì)中，為實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)領(lǐng)域的高速化、小型化、自動(dòng)化、數(shù)學(xué)化、集成化方面，凝聚態(tài)物理學(xué)的研究將扮演重要角色。
歷史沿革
經(jīng)典物理學(xué)時(shí)期
早在18世紀(jì)，法國(guó)礦物學(xué)家阿維（René-Just Haüy）對(duì)晶體外部幾何規(guī)則性就有一定的認(rèn)識(shí)，19世紀(jì)人們對(duì)晶體的認(rèn)識(shí)逐漸深入，1823年，邁克爾·法拉第成功實(shí)現(xiàn)了氯氣的液化，并隨后又實(shí)現(xiàn)了二氧化硫、二氧化碳、氨、氯化氫等的液化。1830年奧古斯特·布拉菲（A.Bravais）提出了晶體結(jié)構(gòu)的空間點(diǎn)陣學(xué)說(shuō)，認(rèn)為晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以概括為是由一些相同的點(diǎn)子在空間有規(guī)則地作周期性地?zé)o限分布。1848年法國(guó)物理學(xué)家布拉維（A. Bravaim）對(duì)三維晶體原子排列規(guī)律進(jìn)行研究，首次將群論概念應(yīng)用到物理學(xué)中，用數(shù)學(xué)群論的方法導(dǎo)出空間點(diǎn)陣為14種不同形式的空間格子。1891年俄國(guó)結(jié)晶專家從理論上證明晶體有32個(gè)點(diǎn)群，230個(gè)空間群。費(fèi)多羅夫（E.S.Fedorov）、熊夫利（A.M.Schoenflies）和巴羅（W.Barlow）分別在1890年、1891年和1895年各自建立晶體對(duì)稱性的群理論，為固體物理理論的形成提供基本的理論依據(jù)。
1900年特魯?shù)拢≒．Drude）為了解釋金屬的特性提出了能夠利用微觀概念計(jì)算實(shí)驗(yàn)觀測(cè)量的第一個(gè)固體理論模型——特魯?shù)伦杂呻娮託饽Ｐ汀?907年阿爾伯特·愛(ài)因斯坦首先利用量子論處理固體中的原子振動(dòng)。同年法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾·外斯（Weiss,Pierre）提出描繪順磁、鐵磁相變的平均場(chǎng)理論。1908年荷蘭物理學(xué)家海克·昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）成功地液化了氦氣，創(chuàng)造了人造低溫的新紀(jì)錄-269°C（4K）。1910年，林德曼（Lindemann）提出的原子振動(dòng)模型，認(rèn)為晶體的原子振動(dòng)振幅達(dá)到平均原子間距的左右時(shí)，晶體發(fā)生熔化，稱之為L(zhǎng)indemann熔化定律。1911年昂內(nèi)斯在極低的溫度（4.2K）下對(duì)各種金屬的電阻變化進(jìn)行研究，首先在Hg中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性現(xiàn)象。
1912年，法蘭克福大學(xué)的研究者馬克斯·馮·勞厄（Max Von Laue）等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)X射線通過(guò)晶體時(shí)會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，從而證實(shí)晶體內(nèi)部原子具有周期性排列的結(jié)構(gòu)。X射線衍射是固體物理學(xué)中具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，從此，人們可以通過(guò)X射線的衍射條紋研究晶體的微觀結(jié)構(gòu)。1912年，威廉·布拉格在劍橋大學(xué)開(kāi)始用X射線分析NaCl和KC1等晶體，并建立了布拉格方程。1913年，威廉·亨利·布拉格（William H.Bragg）研制出世界上第一臺(tái)X射線攝譜儀，他和他的兒子（W.L.布拉格）利用這臺(tái)儀器測(cè)定了金剛石、水晶和硫化鋅等一系列的晶體結(jié)構(gòu)，開(kāi)創(chuàng)了晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定方法。X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法和布拉格方程的建立，是近代固體物理學(xué)的開(kāi)端，它為固體物理學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
量子力學(xué)的引入
20世紀(jì)初量子力學(xué)的誕生為固體物理學(xué)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。人們對(duì)物質(zhì)基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也由宏觀進(jìn)入微觀。1924年法國(guó)物理學(xué)家路易·德布羅意（Louis Victor，Duc de Broglie）首次提出“物質(zhì)波”的概念，說(shuō)明粒子具有波粒二象性。同年，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦根據(jù)“玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)”提出“玻色-愛(ài)因斯坦凝聚”的設(shè)想。1927年英國(guó)倫敦大學(xué)的湯姆遜和紐約貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的克林頓·戴維孫相繼完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)電子具有波動(dòng)性。1926年恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）和保羅·狄拉克（PaulAdrienMauriceDirac）各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)費(fèi)米子組成的系統(tǒng)中粒子分處不同量子態(tài)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。
1928年德國(guó)著名的物理學(xué)家海森伯格（Werner Karl Heisenberg）提出鐵磁性的量子理論。德國(guó)物理學(xué)家阿諾德·索末菲（Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld）在量子理論和費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上建立了索末菲理論，被稱為“自由電子氣的量子理論”，即索末菲自由電子氣模型，成功地解釋一些物理現(xiàn)象。美國(guó)物理學(xué)家布洛赫（F.Bloch）、法國(guó)物理學(xué)家路易·布里淵（Marcel Brillouin）分別在1928年和1930年，采用不同的方法研究周期場(chǎng)中電子的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)金屬的導(dǎo)電性做出了解釋，為固體能帶理論的形成奠定了基礎(chǔ)。
1930年布洛赫根據(jù)海森堡模型提出自旋波的概念，進(jìn)一步發(fā)展磁性理論。1931年A.H.威耳遜（Wilson）運(yùn)用量子理論和泡利不相容原理，建立了固體導(dǎo)電的量子力學(xué)能帶模型。1933年德國(guó)物理學(xué)家邁斯納和奧克森菲爾德在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體具有完全的抗磁性，被稱為邁斯納效應(yīng)。1935年德國(guó)物理學(xué)家F.倫敦和H.倫敦運(yùn)用詹姆斯·麥克斯韋電磁理論導(dǎo)出倫敦方程，成功地解釋邁斯納效應(yīng)，倫敦方程是根據(jù)超導(dǎo)體的完全導(dǎo)電性和完全抗磁性提出的關(guān)于超導(dǎo)體電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程。1945年蘇聯(lián)物理學(xué)家扎沃依斯基首先在固體樣品中觀察到電子順磁共振現(xiàn)象。20世紀(jì)40年代物理學(xué)家將各自獨(dú)立的晶體學(xué)、冶金學(xué)、彈性力學(xué)和磁學(xué)等學(xué)科統(tǒng)合為固體物理學(xué)，至此，固體物理學(xué)已基本建立。
現(xiàn)代多體物理學(xué)時(shí)期
1946年黃昆在研究稀固溶體的X光漫散射時(shí)，提出了關(guān)于雜質(zhì)和缺陷X光的散射理論模型，被稱為“黃散射”。“黃散射”后來(lái)被德國(guó)科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)，現(xiàn)已發(fā)展成為一種能直接研究固體中微觀缺陷的有效手段。1947年12月約翰·巴丁（Bardeen）、沃爾特·布拉頓（Brattain）和威廉·肖克利（Shockley）研制出世界上第一只晶體管——點(diǎn)接觸型的鍺晶體管，這是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大的發(fā)明，第一只“面結(jié)型晶體管”于1950年問(wèn)世，從此，晶體管開(kāi)始逐漸替代真空電子管。
1950年，黃昆和英國(guó)的里斯（李愛(ài)扶）提出了多聲子的輻射和無(wú)輻射躍遷的量子理論，具有開(kāi)拓性，被稱為黃-里斯理論。蘇聯(lián)物理學(xué)家金茨堡（Vitaly L.Ginzburg）和列夫·達(dá)維多維奇·朗道（Lev Davidovich Landau）在二級(jí)相變理論的基礎(chǔ)上，提出超導(dǎo)電性的唯象理論，從理論上預(yù)言II類超導(dǎo)體的存在。1957年美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的約翰·巴丁、布朗大學(xué)的庫(kù)珀（Cooper）和賓夕法尼亞大學(xué)的施里弗（Schrieffer）共同提出以電子聲子相互作用引起費(fèi)米面附近電子聯(lián)會(huì)（庫(kù)珀對(duì)）為基礎(chǔ)的超導(dǎo)微觀理論，即著名的BCS理論，從微觀上對(duì)超導(dǎo)電性做出了成功的解釋。繼1958年日本科學(xué)家江崎玲于奈（Reona Esaki）發(fā)明隧道二極管后，1960年美國(guó)物理學(xué)家伊瓦爾·賈埃弗從實(shí)驗(yàn)上觀察到超導(dǎo)體具有單電子隧道效應(yīng)，利用這種方法能夠準(zhǔn)確地測(cè)量超導(dǎo)體的能隙，這從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了BCS理論的正確性。
1962年，英國(guó)劍橋大學(xué)的布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson）根據(jù)BCS理論，從理論上預(yù)言庫(kù)珀對(duì)也存在隧道效應(yīng)，被稱為約瑟夫森效應(yīng)。1966年卡達(dá)諾夫指出在臨界點(diǎn)粒子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)起著重要作用。同年高錕首次提出使用玻璃纖維作為光波導(dǎo)用于通信的理論，為信息高速公路的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，高琨被公認(rèn)為“世界光纖之父”。20世紀(jì)60年代，隨著固體物理實(shí)驗(yàn)的重大發(fā)展，為科學(xué)分析提供了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使能帶理論的研究從定性的普遍規(guī)律發(fā)展到對(duì)具體材料復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算，能帶理論發(fā)展成一門定量的精確科學(xué)，它已成為固體物理學(xué)的一個(gè)重要的理論基石。20世紀(jì)70年代發(fā)展的擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜技術(shù)，成為研究非晶態(tài)固體原子結(jié)構(gòu)的重要手段。1972年美國(guó)物理學(xué)家戴維·李、道格拉斯·奧謝羅夫（D.D.Osheroff）和理查森（R.Richardson）在溫度接近絕對(duì)零度時(shí)發(fā)現(xiàn)了3He超流態(tài)。3He超流體的發(fā)現(xiàn)有著重要的意義，它對(duì)凝聚態(tài)物理的發(fā)展起到推動(dòng)作用。
1980年，德國(guó)科學(xué)家克勞斯·馮·克利青（K.V.Klitzing）發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，已被國(guó)際計(jì)量機(jī)構(gòu)選作電阻標(biāo)準(zhǔn)，量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，涉及了固體物理宏觀的量子現(xiàn)象。1983年勞克林（R.B.Laughlin）從理論上對(duì)該效應(yīng)進(jìn)行了闡述。1982年4月8日以色列科學(xué)家謝赫特曼用急冷方法制備AIMn合金，首次在電子顯微鏡下觀察到一種“反常”現(xiàn)象，鋁合金的原子采用一種不重復(fù)、非周期性，但對(duì)稱有序的方式排列。從電子衍射圖中發(fā)現(xiàn)，AIMn合金具有五重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱但并無(wú)平移周期性的合金像，即20面體準(zhǔn)晶，這一準(zhǔn)晶的拼圖形式由兩種不同的菱形組成，準(zhǔn)晶體展現(xiàn)了完美的長(zhǎng)程有序。
固體物理學(xué)的拓展
隨著固體物理學(xué)的迅猛發(fā)展，其研究領(lǐng)域不斷地向外拓展與延伸，研究對(duì)象從固體物質(zhì)到液態(tài)物質(zhì)（如液氦、熔鹽、液態(tài)金屬，液晶和聚合物等）和某些特殊的氣態(tài)物質(zhì)（如經(jīng)“薩特延德拉·玻色阿爾伯特·愛(ài)因斯坦凝聚”的玻色氣體和量子簡(jiǎn)并的費(fèi)米氣體）。因此，凝聚態(tài)物理學(xué)逐漸取代固體物理學(xué)作為學(xué)科名稱，或者將固體物理學(xué)理解為凝聚態(tài)物理學(xué)的同義詞。
1984年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)的格萊特（Gleiter）、美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的西戈（Siegel）相繼成功地研制出純物質(zhì)的納米細(xì)粉。1987年黃昆與學(xué)生朱邦芬構(gòu)建了“偶極子超晶格模型”，建立超晶格光學(xué)振動(dòng)的理論，被稱為“黃-朱模型”。2004年1月29日美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院和美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的科學(xué)家提出一種新的物質(zhì)形態(tài)——費(fèi)米子凝聚態(tài)，并預(yù)言它將有助于下一代超導(dǎo)體的誕生。2012年9月，德國(guó)萊比錫大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)石墨顆粒在室溫下具有超導(dǎo)性，一些研究者發(fā)現(xiàn)六硼化釤可能是一種拓?fù)浣^緣體。2017年北京大學(xué)的張錦教授通過(guò)控制活性催化劑表面的對(duì)稱性，生長(zhǎng)出特定對(duì)稱性和手性的單壁碳納米管。
理論基礎(chǔ)
能帶理論
能帶理論是固體物理學(xué)中的一個(gè)基本理論基石，它建立在單電子近似的基礎(chǔ)上的。而凝聚態(tài)物理學(xué)的概念體系源于相變與臨界現(xiàn)象的理論。相比于固體物理學(xué)的單電子近似，凝聚態(tài)物理學(xué)更強(qiáng)調(diào)相互作用多粒子理論，對(duì)物質(zhì)處于不同相之間的轉(zhuǎn)變和臨界現(xiàn)象進(jìn)行研究。因此凝聚態(tài)物理學(xué)相對(duì)于固體物理學(xué)具有更加寬闊的視野。這種概念體系不僅關(guān)注有序相和無(wú)序相，還特別強(qiáng)調(diào)了臨界區(qū)域中表現(xiàn)出的標(biāo)度律和普適性的物理行為。
對(duì)稱性破缺
列夫·達(dá)維多維奇·朗道于1937年針對(duì)二級(jí)相變提出了對(duì)稱破缺的重要概念，后來(lái)成為凝聚態(tài)物理學(xué)概念體系的主軸。在某個(gè)特定的物態(tài)中，存在某一對(duì)稱元素的狀態(tài)與其不存在的狀態(tài)之間存在明確的區(qū)別。當(dāng)通過(guò)改變溫度或壓力等條件時(shí)，原始相中的某一對(duì)稱元素突然喪失，這表示發(fā)生了相變，新的有序相出現(xiàn)。為了定性和定量地描述有序相和原始相之間的偏離，引入了序參量。隨著溫度的降低，有序相在零溫下達(dá)到基態(tài)，而在非零溫度下，有序相處于激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)有恢復(fù)破缺了的對(duì)稱性的傾向。低能激發(fā)態(tài)是非定域的，以波或準(zhǔn)粒子的形式出現(xiàn)，被稱為元激發(fā)的集合。另一方面，非線性定域化的激發(fā)態(tài)被稱為“讖緯”拓?fù)淙毕荨＿@些元激發(fā)和拓?fù)淙毕輰?duì)物質(zhì)的不同物理性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。序參量被用來(lái)定性地和定量地描述低對(duì)稱相相對(duì)于原對(duì)稱相的偏離。
在足夠高的溫度下，物質(zhì)呈現(xiàn)氣態(tài)，表現(xiàn)出均勻和各向同性的特征。在統(tǒng)計(jì)意義上，它保持了完整的平移和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，與其統(tǒng)治物理定律的對(duì)稱性相一致。降溫會(huì)導(dǎo)致氣體凝結(jié)成液體，盡管整體對(duì)稱性保持不變，但出現(xiàn)了短程序。進(jìn)一步降溫使液體凝固成晶體，在晶體中，平移和旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱性都發(fā)生破缺，剩下的對(duì)稱性屬于230個(gè)空間群中的一個(gè)。固體表現(xiàn)出豐富多彩的物性與對(duì)稱破缺密切相關(guān)，而具有引人關(guān)注特性的液體通常是液晶或復(fù)雜液體，也和某種對(duì)稱性破缺有關(guān)。晶體中的元激發(fā)主要表現(xiàn)為晶格振動(dòng)或聲子，是理解固體的熱學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵，而晶態(tài)中的拓?fù)淙毕轂槲诲e(cuò)。是理解固體的塑性與強(qiáng)度的關(guān)鍵。
相變
凝聚態(tài)物理學(xué)中關(guān)心的主要研究領(lǐng)域之一是相變，比如，水變成冰。相變改變了熱力學(xué)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并且不能用其組成部分來(lái)加以單獨(dú)描述。在一種稱為臨界現(xiàn)象的相變中，不像水變成冰的情況，沒(méi)有出現(xiàn)密度的不連續(xù)跳躍，是于1822年在液變氣中被揭示的，并在1873年由范德·瓦耳斯的宏觀理論進(jìn)行了定性的解釋。到了20世紀(jì)60年代，才涌現(xiàn)了對(duì)其微觀機(jī)制的詳細(xì)認(rèn)識(shí)，相變是宏觀水平上定性變化的最清楚例證。
固體電子論
固體電子論對(duì)固體中電子行為的研究一直是固體物理學(xué)的核心問(wèn)題，凝聚態(tài)物理學(xué)中情況依然如此。固體中電子的行為可以根據(jù)電子間相互作用的大小分為三個(gè)區(qū)域。
弱關(guān)聯(lián)區(qū)
基于電子受晶格上離子散射的能帶理論，為固體中電子行為提供了合適的理論框架，應(yīng)用于半導(dǎo)體和簡(jiǎn)單金屬已取得非凡的成功，也構(gòu)成半導(dǎo)體物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。
中等關(guān)聯(lián)區(qū)
這一區(qū)域的材料包括一般金屬和強(qiáng)磁性物質(zhì)。由列夫·達(dá)維多維奇·朗道提出的費(fèi)米液體理論成功地描述了一般金屬以及低溫下3He液體中的元激發(fā)及物理行為。由沃爾特·科恩等人發(fā)展的密度泛函理論為高效計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料中的電子結(jié)構(gòu)提供了理論框架。電子之間的交換相互作用在中等關(guān)聯(lián)區(qū)中變得更為重要。這包括直接交換、間接交換、超交換、雙交換和漫游交換等不同類型的相互作用。電子之間的相互作用導(dǎo)致了中等關(guān)聯(lián)區(qū)內(nèi)材料的磁性行為，包括鐵磁體、反鐵磁體等。有關(guān)磁性相的激發(fā)態(tài)（磁振子與磁疇）提供了理解其物理參數(shù)和磁化曲線的關(guān)鍵信息，構(gòu)成了鐵磁學(xué)的物理基礎(chǔ)。
強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)
強(qiáng)關(guān)聯(lián)區(qū)涉及了電子濃度甚低的不良金屬。能帶理論建立不久，尤金·維格納就設(shè)想庫(kù)侖斥力使電子定域于維格納晶格上，接著N.F.莫脫就認(rèn)為NiO這類氧化物是因關(guān)聯(lián)導(dǎo)致的絕緣體，即莫脫絕緣體。20世紀(jì)60年代的近藤效應(yīng)是描述金屬中電阻極小現(xiàn)象的理論，特別是在稀磁合金中。20世紀(jì)80~90年代在銅氧化物等材料中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)體、錳氧化物中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)等。另外，還在與近藤效應(yīng)有關(guān)的鑭系和錒系重電子合金中發(fā)現(xiàn)了多種有序相和反常的物性。對(duì)上述各類的強(qiáng)關(guān)聯(lián)物質(zhì)中的物性問(wèn)題研究，尚未得到圓滿解決。
BCS理論
BCS理論又稱超導(dǎo)微觀理論，于1957年由約翰·巴丁，庫(kù)珀和施里弗三人共同提出，其基本出發(fā)點(diǎn)是晶體中電子之間的交互作用：一個(gè)在晶體中運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)通過(guò)庫(kù)侖引力而吸引晶格中的陽(yáng)離子，引起晶格發(fā)生微小的彈性形變形。若這種變形能持續(xù)短暫的時(shí)間，就會(huì)影響隨后的第二個(gè)電子。一定條件下，在這兩個(gè)電子之間就會(huì)出現(xiàn)微弱的引力，它是電子-晶格-電子交互作用的間接效果。盡管引力很小，但只要這兩個(gè)電子是處于高密度的其他電子流中，它們就會(huì)結(jié)合在一起，形成結(jié)合電子對(duì)或庫(kù)珀電子對(duì)。電子對(duì)的基態(tài)能量低于兩個(gè)自由電子的基態(tài)能量，且兩個(gè)電子的動(dòng)量和自旋角動(dòng)量相反。
基于結(jié)合電子對(duì)的概念，BCS提出，晶體中所有電子都配成了庫(kù)珀電子對(duì)。電子對(duì)的運(yùn)動(dòng)是相關(guān)的，因而很難受到晶格的散射，故電阻率為零。BCS理論給出了晶體中所有電子都配成庫(kù)珀電子對(duì)的狀態(tài)的波函數(shù)。對(duì)應(yīng)于自由能最小的波函數(shù)就定量地決定了超導(dǎo)體的平衡性質(zhì)，如臨界溫度、臨界磁場(chǎng)、超導(dǎo)基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能隙、熱容量、穿透深度等性質(zhì)。BCS理論的發(fā)表，促進(jìn)了超導(dǎo)研究工作的發(fā)展。
研究對(duì)象
凝聚態(tài)物理學(xué)主要研究凝聚態(tài)物質(zhì)的原子之間的結(jié)構(gòu)、電子態(tài)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的各種物理性質(zhì)。其研究的領(lǐng)域包括固體物理、晶體物理、金屬物理、半導(dǎo)體物理、絕緣介質(zhì)物理、磁學(xué)、固體光學(xué)性質(zhì)、低溫物理與超導(dǎo)電性、高壓物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低維物理（包括薄膜物理、表面與界面物理和高分子物理）、液體物理、微結(jié)構(gòu)物理（包括介觀物理與原子簇）、缺陷與相變物理、納米材料和準(zhǔn)晶等。
研究?jī)?nèi)容
晶體結(jié)構(gòu)
原子或分子之間存在相互作用，這會(huì)導(dǎo)致粒子發(fā)生凝聚。許多凝聚態(tài)系統(tǒng)，例如氦以外的所有單元素系統(tǒng)，常壓低溫下，可以形成結(jié)晶相，即人們通常認(rèn)為的固體。固體是人們認(rèn)識(shí)最早，對(duì)其研究最多也最透徹的一種凝聚態(tài)系統(tǒng)，特別是量子力學(xué)建立以后，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，我們對(duì)于自然界中存在的三維固體（主要指晶體）已經(jīng)有了深入了解。
隨著溫度的降低，凝聚態(tài)系統(tǒng)由液相進(jìn)入固相，此時(shí)所有的原子或分子均局域在空間某一位置附近，有微小的振動(dòng)但其平衡位置是固定的，這些固定點(diǎn)稱之為格點(diǎn)，由于原子或分子間的相互作用，它們?cè)诳臻g的位置將形成一定的布局或分布，以保證整個(gè)系統(tǒng)能量最低，這一布局就形成了固體粒子的空間結(jié)構(gòu)。對(duì)于晶體，這種結(jié)構(gòu)具有幾何上的周期性，也稱為奧古斯特·布拉菲晶格，其重復(fù)單元稱之為原胞，而最小的重復(fù)單元稱之為初始原胞。原胞內(nèi)可以包含一個(gè)原子，如簡(jiǎn)單金屬固體；也可以包含多個(gè)原子，如氯化鈉晶體。
電子體系
電子是物質(zhì)的重要組成部分，在功能材料中起著舉足輕重的作用，電子體系是凝聚態(tài)物理研究的重要對(duì)象之一，其原因是：電子是費(fèi)米子，受到泡利不相容原理的約束；電子之間存在長(zhǎng)程強(qiáng)相互作用；電子不僅是電荷的載體，同時(shí)也是自旋的載體。
金屬和半導(dǎo)體的許多性質(zhì)是由其載流子性質(zhì)決定的。但是載流子與原子核以及載流子之間存在相互作用，如電子一聲子、電子一電子、電子一空穴相互作用以及電子與局域雜質(zhì)之間的相互作用等，都會(huì)產(chǎn)生一些有趣的現(xiàn)象，其中電子一電子之間的庫(kù)侖作用對(duì)理解金屬束縛能是極其重要的。
界面和表面物理學(xué)
凝聚態(tài)物理與外界的相互作用總是通過(guò)表面或界面進(jìn)行的，因此，表面物理是凝聚態(tài)物理的重要組成部分，它研究范圍是固體表面幾個(gè)原子層，也就是只有約百萬(wàn)分之幾毫米或更小厚度的表面層。這一薄層的原子既受到體內(nèi)的束縛，又受到環(huán)境的影響，這一薄層的結(jié)構(gòu)、成份和性質(zhì)與體內(nèi)不同。物體表面的這些特殊性，對(duì)它的許多物理化學(xué)性質(zhì)影響極大，金屬的氧化、腐蝕毀掉了大約十分之一的金屬材料，這些都與金屬表面的結(jié)構(gòu)和成分有關(guān)，化學(xué)和石油工業(yè)使用大量的各種催化劑，化學(xué)反應(yīng)是在催化劑表面上進(jìn)行的，與表面的吸附、凝聚等有密切關(guān)系。
在電子器件中，表面態(tài)和界面態(tài)的存在，對(duì)性能影響極大，所以對(duì)半導(dǎo)體表面和界面的研究一直是器件工藝和物理研究中的一個(gè)重要課題，隨著硅器件的發(fā)展，硅——二氧化硅界面的研究，不僅有助于提高集成電路的穩(wěn)定性和可靠性，而且促進(jìn)了一些新型表面器件的發(fā)展，對(duì)于電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。
宏觀量子態(tài)
低溫物理學(xué)取得的重大成果在于對(duì)金屬與合金中的超導(dǎo)現(xiàn)象以及液氦中的超流現(xiàn)象的研究。早在1924年阿爾伯特·愛(ài)因斯坦就根據(jù)薩特延德拉·玻色愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)提出了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的設(shè)想，即理想的玻色氣體在低溫下會(huì)出現(xiàn)基態(tài)為宏觀的粒子數(shù)所占。?He原子是玻色子，因而在?He超流發(fā)現(xiàn)之后，F(xiàn)·倫敦就提出超流態(tài)是薩特延德拉·玻色愛(ài)因斯坦凝聚的結(jié)果。而F·倫敦所提出的描述超導(dǎo)電動(dòng)力學(xué)的倫敦方程實(shí)際上就蘊(yùn)含了宏觀量子態(tài)的概念。1952年V.京茨堡與L.朗道提出的唯象超導(dǎo)理論就明確地引入了類似于宏觀波函數(shù)的復(fù)序參量來(lái)描述超導(dǎo)態(tài)。而B(niǎo)CS理論則在1957年由約翰·巴丁等人提出，成功描述了電子通過(guò)與聲子的相互作用而形成庫(kù)珀對(duì)，從而使電子系統(tǒng)具有玻色子系統(tǒng)的特性。在1972年，在2.7mK以下的3He的超流態(tài)被發(fā)現(xiàn)，3He原子也是費(fèi)米子，所以這也是費(fèi)米子配對(duì)的結(jié)果。3He超流體具有p波配對(duì)的自旋三態(tài)，具有磁性。在1995年，E.A.科納爾等人在將稀薄??Rb氣體冷卻到極低溫實(shí)現(xiàn)了薩特延德拉·玻色阿爾伯特·愛(ài)因斯坦凝聚，將凝聚態(tài)物理學(xué)的研究領(lǐng)域擴(kuò)展到了極低溫下的稀薄氣體。
納米結(jié)構(gòu)與介觀物理
由于對(duì)于一些簡(jiǎn)單材料的物性已經(jīng)比較清楚，從20世紀(jì)中葉開(kāi)始就致力于將不同的材料按特定的結(jié)構(gòu)尺度（關(guān)聯(lián)于物性的某一特征長(zhǎng)度）來(lái)組織成材料與器件的復(fù)合體，從而獲得優(yōu)異的物理性能。如果所選的結(jié)構(gòu)尺度在納米范圍（1~100納米）之內(nèi)，即為納米結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)末這一領(lǐng)域引起學(xué)術(shù)界和社會(huì)上的廣泛重視。
量子力學(xué)認(rèn)為粒子可穿過(guò)納米尺度的勢(shì)壘而呈現(xiàn)隧道效應(yīng)。利用這一效應(yīng)可制備隧道結(jié)這類夾層結(jié)構(gòu)，諸如半導(dǎo)體隧道二極管、單電子超導(dǎo)隧道結(jié)、庫(kù)珀對(duì)超導(dǎo)隧道結(jié)。后者體現(xiàn)了約瑟夫森效應(yīng)已成為超導(dǎo)電子學(xué)的核心器件。利用與自旋相關(guān)的隧道效應(yīng)，則已制出具有隧道磁電阻的磁存儲(chǔ)器。
復(fù)合結(jié)構(gòu)若進(jìn)入電子恩里科·費(fèi)米波長(zhǎng)的范圍，就呈現(xiàn)量子限制效應(yīng)，導(dǎo)致了量子阱、量子線與量子點(diǎn)。半導(dǎo)體量子阱已用來(lái)制備快速晶體管和高效激光器。量子線的研究也卓有成效，納米碳管所揭示的豐富多彩的物性就是明證。量子點(diǎn)則可用以制備微腔激光器和單電子晶體管。利用鐵磁金屬與非磁金屬可制成磁量子阱，呈現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)，可用作存儲(chǔ)器的讀出磁頭。這些事例說(shuō)明了納米電子學(xué)（包括自旋電子學(xué)）將成為固體電子學(xué)和光子學(xué)的發(fā)展主流。
納米結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)研究中也發(fā)揮了十分重要的作用：在兩維電子氣中發(fā)現(xiàn)了整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍耳效應(yīng)以及尤金·維格納晶格，在一維導(dǎo)體中驗(yàn)證了盧廷格液體的理論，在些人工納米結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了介觀量子輸運(yùn)現(xiàn)象。
軟物質(zhì)物理學(xué)
軟物質(zhì)又稱復(fù)雜液體，是介于固體和液體之間的物相，液晶、乳膠、聚合物等均屬此類。軟物質(zhì)大多都是有機(jī)物質(zhì)，雖然在原子尺度上是無(wú)序的，但在介觀尺度上則可能出現(xiàn)某種規(guī)則而有序的結(jié)構(gòu)。如液晶分子是桿狀的，盡管其質(zhì)心不具有位置序，但桿的取向卻可能是有序的。又如聚合物是由柔軟的長(zhǎng)鏈分子所構(gòu)成，由于長(zhǎng)程無(wú)序的關(guān)聯(lián)性，因而遵循了類似于臨界現(xiàn)象的標(biāo)度律。
20世紀(jì)70—80年代液晶物理學(xué)和聚合物物理學(xué)的建立，使凝聚態(tài)物理學(xué)從傳統(tǒng)的硬物質(zhì)成功地延拓到軟物質(zhì)。軟物質(zhì)在微小的外界刺激（溫度、外場(chǎng)或外力）下有顯著的響應(yīng)是其物性的特征，從而產(chǎn)生明顯的實(shí)用效果。比如，一顆紐扣電池可驅(qū)動(dòng)液晶手表數(shù)年之久。軟物質(zhì)變化過(guò)程中內(nèi)能變化甚微，熵[shāng]的變化十分顯著，因而其組織結(jié)構(gòu)的變化主要由熵來(lái)驅(qū)動(dòng)，和內(nèi)能驅(qū)動(dòng)的硬物質(zhì)迥然有別。熵致有序和熵致形變乃是軟物質(zhì)自組裝的物理基礎(chǔ)。
分支學(xué)科
金屬物理學(xué)
金屬物理學(xué)金屬物理學(xué)是研究金屬和合金的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的科學(xué)，即從電子、原子和各種晶體缺陷的運(yùn)動(dòng)和相互作用，來(lái)闡明金屬和合金的各種宏觀規(guī)律與轉(zhuǎn)變過(guò)程。它既相當(dāng)于金屬學(xué)在微觀領(lǐng)域內(nèi)的進(jìn)一步深入，也是以金屬和合金為對(duì)象的固體物理學(xué)的一個(gè)分支。
半導(dǎo)體物理學(xué)
半導(dǎo)體物理學(xué)是凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)重要分支，是現(xiàn)代微電子材料學(xué)與器件學(xué)的理論核心。其中，有關(guān)非平衡截流子的注入和擴(kuò)散問(wèn)題是半導(dǎo)體物理學(xué)中的一個(gè)重要研究方向。光伏效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射半導(dǎo)體材料的一側(cè)時(shí)，在半導(dǎo)體表面薄層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生非平衡截流子。同時(shí)，材料內(nèi)部沒(méi)有或有較少的非平衡截流子，從而形成從表面到體內(nèi)的非平衡截流子濃度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生電壓。當(dāng)粒子濃度分布不均勻時(shí)，物質(zhì)分子將從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域轉(zhuǎn)移，直到均勻分布的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散的速率與物質(zhì)的濃度梯度成正比。
電介質(zhì)物理學(xué)
絕緣介質(zhì)物理學(xué)是隨著20世紀(jì)電氣工業(yè)的形成和發(fā)展而產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的凝聚態(tài)物理學(xué)的分支學(xué)科。它涉及的主要內(nèi)容是電介質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)等微觀性質(zhì)與其介電特性（極化、電導(dǎo)、損耗、擊穿等）的關(guān)系，以及光、電、熱、機(jī)械功能轉(zhuǎn)換和受溫度、壓力、電頻率等物理?xiàng)l件的影響。工程電介質(zhì)主要涉及電介質(zhì)理論在電氣、電子、航空、航天、生物等工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
高壓物理學(xué)
高壓物理學(xué)是凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，其研究對(duì)象是凝聚態(tài)物質(zhì)體系，即由大量原子和分子組成的凝聚體。在高壓極端條件下，組成物質(zhì)的原子或分子的間距縮短，整體體積會(huì)改變；再加上高溫或者低溫條件，凝聚態(tài)物質(zhì)在結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和性質(zhì)等方面會(huì)發(fā)生許多變化。隨著高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的日益完善，高壓物理學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)化生產(chǎn)中得到了更加廣泛的應(yīng)用。
表面物理學(xué)
表面物理學(xué)是凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它研究固體和液體表面的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分以及表面上所發(fā)生的物理和化學(xué)過(guò)程。所謂物體的表面是指物體最外面的幾層原子和覆蓋其上的一些外來(lái)原子和分子，它的厚度一般只有幾埃到幾十埃（1埃等于千萬(wàn)分之一毫米）。這一表面薄層的原子既受體力束縛，又受環(huán)境影響，表面薄層的性質(zhì)與物體內(nèi)部不同，可以發(fā)生成分的偏折、結(jié)構(gòu)的變化、形成吸附層或表面化合物等。物體表面的這些特殊性，對(duì)物體的許多物理、化學(xué)性質(zhì)往往有很大影響。
低溫物理學(xué)
低溫物理學(xué)是凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)分支，是低溫條件下的凝聚態(tài)物理學(xué)。低溫物理學(xué)是研究在低溫條件下物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、產(chǎn)生的物理效應(yīng)及其應(yīng)用的綜合性學(xué)科。它探討低溫物性與低溫物質(zhì)內(nèi)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律之間的關(guān)系，也涉及低溫的產(chǎn)生和測(cè)量它的技術(shù)。所謂低溫一般指比液態(tài)空氣在大氣壓下的沸點(diǎn)81K還低的溫度。
應(yīng)用
凝聚態(tài)物理學(xué)的應(yīng)用性較強(qiáng)，是材料、信息、能源科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，一些日常生活中常見(jiàn)的設(shè)備正是基于凝聚態(tài)物理學(xué)的研究成果。
王中林創(chuàng)立了壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)，首次發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)；高鴻鈞致力于掃描隧道顯微鏡（STM）在納米科技中的應(yīng)用研究；陳立泉在納米儲(chǔ)鋰合金領(lǐng)域取得了一批國(guó)際一流水平的研究成果。
2.合金材料
在設(shè)計(jì)人造材料方面，已充分掌握使材料（如合金、化合物等）從一開(kāi)始設(shè)計(jì)就能給出所需物理特性的基本物理化學(xué)過(guò)程，如用離子束技術(shù)把合金原子植入的物理學(xué)方法，可創(chuàng)造出嶄新的合金材料；可以把所需的雜質(zhì)原子注入到冷晶格內(nèi)具有幾何精度的部位上，像建筑設(shè)計(jì)那樣，制出復(fù)雜的三維晶體電路材料。
3.其他成果
此外，還研究出了超導(dǎo)體、拓?fù)浣^緣材料、納米材料、電子陶瓷材料、復(fù)合熱電材料、自旋液體、薄膜材料、碳材料（碳化薄膜，石墨烯，石墨炔等）等材料。以及還有很多根據(jù)凝聚態(tài)物理的特性制備出來(lái)的極具效用的成果，比如利用粒子的隧道效應(yīng)制備的隧道結(jié)夾層結(jié)構(gòu)；利用量子點(diǎn)制備單電子晶體管和微腔激光器；利用磁鐵和非磁金屬制備磁量子阱等等。
參考資料 >
凝聚態(tài)物理.科普中國(guó)網(wǎng).2024-01-09
《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 13745-2009》.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)全文公開(kāi).2024-02-20
液態(tài)物理學(xué)發(fā)展概述.中國(guó)知網(wǎng).2024-02-28