凝聚態(tài)物理學的基本任務在于闡明微觀結構與物性的關系,因而判斷構成凝聚態(tài)物質(zhì)的某些類型微觀粒子的集體是否呈現(xiàn)量子特征(波粒二象性)是至關緊要的。電子質(zhì)量小,常溫下明顯地呈現(xiàn)量子特征;離子或原子則由于質(zhì)量較重,只有低溫下(約4K)的液氦或極低溫下(μK至nK)的堿金屬稀薄氣體,原子的量子特征才突出地表現(xiàn)出來。這也說明為何低溫條件對凝聚態(tài)物理學的研究十分重要。微觀粒子分為兩類:一類是費米子,具有半整數(shù)的自旋,服從泡利不相容原理;另一類是玻色子,具有整數(shù)的自旋,同一能態(tài)容許任意數(shù)的粒子占據(jù)。這兩類粒子的物理行為判然有別。 固體電子論
對固體中電子行為的研究一直是固體物理學的核心問題。凝聚態(tài)物理學中情況依然如此。固體中電子的行為可按電子間相互作用的大小,分為三個區(qū)域。
①弱關聯(lián)區(qū)?;陔娮邮芫Ц裆想x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,應用于半導體和簡單金屬已取得非凡的成功,也構成半導體物理學的理論基礎。
②中等關聯(lián)區(qū)。包括一般金屬和強磁性物質(zhì)。朗道的費米液體理論成功地描述了一般金屬以及低溫下He液體中的元激發(fā)及物理行為。W.科恩等發(fā)展的密度泛函理論則提供了高效計算復雜結構材料中電子結構的理論框架。電子之間的交換相互作用(包括直接、間接、超交換、雙交換及巡游交換)導致了磁有序相(鐵磁體、反鐵磁體及更鐵磁體)的形成。有關磁有序相的激發(fā)態(tài)(磁振子與磁疇)又提供了理解其物理參數(shù)和磁化曲線的契機,構成了鐵磁學的物理基礎。 ③強關聯(lián)區(qū)。涉及電子濃度甚低的不良金屬。能帶理論建立不久,E.維格納就設想庫侖斥力使電子定域于維格納晶格上,接著N.莫脫認為NiO這類氧化物是因關聯(lián)導致的絕緣體,即莫脫絕緣體。20世紀60年代近藤對于稀磁合金中電阻極小現(xiàn)象作了理論解釋,稱為近藤效應。80—90年代在一系列摻雜莫脫絕緣體中發(fā)現(xiàn)了奇異的物性,如銅氧化物中發(fā)現(xiàn)高溫超導體、錳氧化物中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應等。另外,還在與近藤效應有關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。對上述各類的強關聯(lián)物質(zhì)中的物性問題研究,尚未得到圓滿解決。 宏觀量子態(tài)
低溫物理學研究的重大成果在于發(fā)現(xiàn)了金屬與合金中的超導現(xiàn)象(電阻在T以下突降為零,磁通全部被斥,成為完全抗磁體)和液氦中的超流現(xiàn)象(黏滯系數(shù)在T以下突降為零)。這些宏觀量子態(tài)現(xiàn)象的出現(xiàn)是規(guī)范對稱性(波函數(shù)相位可為任意值)破缺的后果。早在1924年愛因斯坦就根據(jù)玻色-愛因斯坦統(tǒng)計提出了玻色-愛因斯坦凝聚的設想,即理想的玻色氣體在低溫下會出現(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)是玻色–愛因斯坦凝聚的結果。而倫敦所提出的描述超導電動力學的倫敦方程實際上就蘊含了宏觀量子態(tài)的概念。1952年V.京茨堡與L.朗道提出的唯象超導理論就明確地引入了類似于宏觀波函數(shù)的復序參量來描述超導態(tài)。1957年J.巴丁等提出了正確的超導微觀理論,即BCS理論,其關鍵在于一對電子在動量空間由于電子–聲子相互作用而形成庫珀對,從而使電子系統(tǒng)也具有某些類似于玻色子系統(tǒng)的特征。1972年在2.7mK以下發(fā)現(xiàn)了 He超流態(tài), He原子也是費米子,所以這也是費米子配對的結果。從序參量的對稱性可以判斷配對態(tài)的特性:常規(guī)超導體是s波配對的自旋單態(tài),高溫超導體是d波配對的自旋單態(tài), He超流體是p波配對的自旋三態(tài),具有磁性。還有一些疑似p波配對的非常規(guī)超導體,正在研究之中。非常規(guī)超導體的機制也尚待澄清。1995年E.科納爾等在將稀薄 Rb氣體冷卻到極低溫(<μK)實現(xiàn)了玻色–愛因斯坦凝聚,這就將凝聚態(tài)物理學的研究領域擴充到極低溫下的稀薄氣體。 納米結構與介觀物理
由于對于一些簡單材料的物性已經(jīng)比較清楚,從20世紀中葉開始就致力于將不同的材料按特定的結構尺度(關聯(lián)于物性的某一特征長度)來組織成材料與器件的復合體,從而獲得優(yōu)異的物理性能。如果所選的結構尺度在納米范圍(1—100納米)之內(nèi),即為納米結構。20世紀末這一領域引起學術界和社會上的廣泛重視。
量子力學認為粒子可穿過納米尺度的勢壘而呈現(xiàn)隧道效應。利用這一效應可制備隧道結這類夾層結構,諸如半導體隧道二極管、單電子超導隧道結、庫珀對超導隧道結。后者體現(xiàn)了約瑟夫森效應已成為超導電子學的核心器件。利用與自旋相關的隧道效應,則已制出具有隧道磁電阻的磁存儲器。 復合結構若進入電子費米波長的范圍,就呈現(xiàn)量子限制效應,導致了量子阱、量子線與量子點。半導體量子阱已用來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,可用作存儲器的讀出磁頭。這些事例說明了納米電子學(包括自旋電子學)將成為固體電子學和光子學的發(fā)展主流。 納米結構在基礎研究中也發(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)和分數(shù)量子霍耳效應以及維格納晶格,在一維導體中驗證了盧廷格液體的理論,在一些人工納米結構中發(fā)現(xiàn)了介觀量子輸運現(xiàn)象。
軟物質(zhì)物理學
軟物質(zhì)又稱為復雜液體,是介于固體與液體之間的物相,液晶、乳膠、聚合物等均屬此類。軟物質(zhì)大都是有機物質(zhì),雖然在原子尺度上是無序的,但在介觀尺度上則可能出現(xiàn)某種規(guī)則而有序的結構。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鏈分子所構成,由于長程無序的關聯(lián)性,因而遵循了類似于臨界現(xiàn)象的標度律。20世紀70—80年代液晶物理學和聚合物物理學的建立,使凝聚態(tài)物理學從傳統(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、外場或外力)下有顯著的響應是其物性的特征,從而產(chǎn)生明顯的實用效果。一顆紐扣電池可驅動液晶手表數(shù)年之久,就是證明。軟物質(zhì)變化過程中內(nèi)能變化甚微,熵的變化十分顯著,因而其組織結構的變化主要由熵來驅動,和內(nèi)能驅動的硬物質(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。 有機物質(zhì)(小分子和聚合物)的電子結構與電子性質(zhì)也受到廣泛的重視。有機發(fā)光器件和電子器件正在研制開發(fā)之中。