从固体物理到凝聚态物理研究综述

[摘 要] 文章主要对固体物理的发展历史作了综合评述， 并扼要介绍了凝聚态物理的基本概念。

[关键词]固体物理学；凝聚态物理学；低温凝聚态；超导电性

中图分类号：TU528.042 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）24-0399-02

一、固体物理的成功

20世纪初期，人类在生产实践和科学实验的过程中对固体的物理性质，物理现象和规律有了深人的认识，形成现代物理学的基础。上个世纪早期固体物理学的出现是基于当时在诸多方面已经有了比较成熟的理论。如晶体对称性理论，声波的量子理论，自由电子理论，能带理论，铁磁性理论等。这些理论有着共同的出发点，就是周期场中波的传播，这是固体物理的范式。固体物理早期的研究对象就是晶体，对非晶体（如玻璃）的研究很少。晶体是由原子构成的具有周期结构的固态物质，晶体千变万化的原子排列方式可以归纳为立方，正交，四角，三斜，单斜，六角，三角等7大晶系。在属于每一个晶系的任何晶体中，原子重复排列的方向和3个主轴方向之间的夹角具有相同的规律，而相邻原子的间距各自不同。

晶体作为一个物理系统主要由两个子系统组成，一个是晶格点阵系统， 另一个是自由电子系统。描述晶格运动的理论是晶格动力学，晶格波的运动在量子论中可用声子来代表。描述自由电子行为的理论有能带论。

晶格点阵是由原子（或离子）组成的， 原子的振动因相互关联而形成声波， 具有一定的波长，在量子论中波长的倒数就是声子的频率ω，代表一个声子的能量ε。声子是玻色子，具有确定的能量和动量，很多物理性质与晶体的声子谱有关。长声波对应低频声子，在低温下主要是低频声子对物理性质的贡献。声子的平均频率取决于原子质量和相邻原子之间的结合力。所谓“声子谱”，即：单位频率（代表声子的能量）范围内晶体固有的振动模式数。图1所示是金属铜的声子谱，实际上其他和铜有同样面心立方结构的金属（如镍和把）的声子谱形状都是这样，不同的只是截止频率。镍的截止频率高于铜，对应它的熔点高，硬度大，而把则相反。

金属和合金的自由电子，在具有一定结构的晶格中运动，其能量是量子化的，形成若干能带，能带之间存在能隙，在能隙范围不存在电子的能量状态。（图2）是各种情况电子能带结构的示意图。电子是费米子，每个能量状态只能填充一个电子。如果考虑电子的运动方向，在动量空间，电子从最低能态往高能态填充， 最高能态的电子形成的等能面叫做费米面，如图3。费米面的形状取决于晶体的周期结构。

有了这些理论，晶体的宏观物理性质可以用不同的微观机制加以解释。 如：导电性来源于金属中具有能带中未满的导带自由电子，声子对自由电子的散射引起电阻，若能带被填满，该晶体就不导电，成为绝缘体，见图2；两个电子通过和声子的作用形成超导电子对因而超导；磁性质来源于离子局域电子磁矩之间的交换相互作用，以及自由电子云对磁矩的贡献；比热主要来自于声子和自由电子的贡献。

二、结构决定物理性质

晶体的结构对其物理性质起决定性作用。同样是碳原子组成的晶体，如石墨，金刚石和碳纳米管，有着绝然不同的性质。石墨是层状物，易碎，导电；金刚石是立方密堆积结构，坚硬，不导电；碳纳米管则是有奇特性质的极细小的物体，如同单层石墨卷起来直径约几十纳米的管状物，其导电性质取决于原子排列方向与纳米管方向的夹角（图4）。碳的三种同素异构体的性质之所以差别如此之大，它们的声子谱和电子在能带中填充的情况不同在这里起重要作用。

有的晶体在某温度发生相变后由于结构变化，其物理性质可从导体变为绝缘体，或从顺磁变为铁磁。

三、压力和磁场对物理性质的影响

对一个晶体加压，首先使体积缩小，即原子间距变短，从而电子能带变宽。压力再加大，有可能发生相变，变为另一种结构或另一种物相（如铁磁变成顺磁，或导体变成超导体等。可想而知，压力会改变物理性质，因为压力使电子的能态分布和晶格的声子谱发生变化。原子间距缩短还会改变原子或离子的磁矩大小，以及磁矩之间的交换相互作用，从而改变晶体的磁性质。

四、温度与相变

随着温度的提高，在0℃冰变成水，从固相变为液相；在100℃水变成蒸汽， 从液相变为气相，这就是相变。对于任何物体系统，存在着微观粒子的相互作用与宏观温度的竞争：相互作用使系统趋向有序，而温度决定的热运动使系统趋向无序。在O℃以下，水分子之间的相互作用超过分子的热运动，相对无序的水变成相对有序的冰；在10℃以上，水分子的热运动超过分子之间的相互作用， 相对有序的水变成相对无序的蒸汽。同样分子组成的冰，水和蒸汽的结构显然不同， 因而它们的性质相差很大。相对而言，低温相的有序度增加而对称性降低， 反之高温相的有序度下降而对称性变高。

五、新型非周期结构物质的不断出现

20世纪60年代以来，新物质不断出现：用快速冷却方法人工制出无序结构的非品体合金条带，后来在急冷合金Al一Mn和Ni一V中又发现无严格长程周期结构，但有5重或20重轴对称的准晶体，这在传统的概念中是不可能的，见图5；在合金中由无序排列的磁J隆原子形成的自旋玻璃材料；橡胶，胶水以及生物体中的非刚性结构的软物质材料；高分子材料导电聚合物，见图6；多孔硅等分形材料；低维材料，如单层石墨（二维），金属纳米线（一维）或纳米点（零维）等等。这些物质在现代是人们研究的重要对象，但不存在长程周期结构，因而固体物理的范式――“ 周期场中波的传播”――就失去了前提。需要提出新的范式， 对物体宏观性质的解释要有新的思路。新的范式适用的范围要更宽， 并且与固体物理已有的概念是一致的。

六、凝聚态物理的范式

凝聚态物理的范式不需要有周期结构的前提，对各类结构的物质（包括无序结构，软物质，液体等）都适用，它主要包括以下基本概念：

1）对称破缺―― 某对称元素的消失导致低对称性相（有序相）的出现， 对应发生相变， 有序参量值不为零，而为有限值。铁磁物质在居里温度以下从顺磁态相变为铁磁态，磁矩从无序开始变为有序，宏观磁矩出现。趋于绝对零度时，在磁交换作用下，分子磁矩趋向一致，此时宏观磁矩最大。从相对无序的顺磁相成为相对有序的铁磁相后，系统失去了一些对称元素，称之为对称破缺。这是相变时出现的普遍现象。

2）基态――系统在接近绝对零度时（能量最低）的状态。

按基态的性质分类可有各种情况：按导电性，有导体，半导体，绝缘体，超导体；按磁性质，有顺磁，铁磁，反铁磁，自旋玻璃；按流动性有超流体（如2.17K温度以下的超流液氦）；其他还有铁电体，费米液体，非费米液体等。

3）元激发―― 接近于基态的低能激发，是有一定动量和能量的/准粒子0。如：声子（声波），有一定的能量和动量，是一种准粒子；磁子（自旋波）是代表原子磁矩集体运动的准粒子，其他还有激子（电子一空穴对），旋子（超流液氦中的涡旋），极化子，孤子，相位子等。

4）序参量――反映系统有序程度的某一物理量的平均值.如前面提到的铁磁体的宏观磁矩，序参量在相变温度以上为零，在相变后开始出现有限值，随温度下降而变大，在绝对零度为1。

还有一些其他的基本概念。有了凝聚态物理新的范式，我们可以较方便地描写宏观物理性质的微观机制，而不管固体是否有长程周期结构。

七、极端条件下的凝聚态物理研究

凝聚态物理的内容是研究相互作用多粒子系统组成的凝聚态物质的宏观性质，物理规律及其微观机制和微观过程。上世纪60年代以来，由于新发现或人工制造出不少新的材料，如前面提到的非晶金属，准晶，纳米材料，软物质，有机导体和各类新型超导体等，凝聚态物理的研究陆续出现许多新的方向。所谓极端条件，主要指极低温度，强磁场和超高压。随着温度的降低，微观粒子热运动逐渐减弱，各式各样的相互作用开始显现，同时量子效应愈加明显，因而出现丰富多样的物理现象。此外，压力能改变原子间距，磁场可影响微观粒子的自旋磁矩状态，以便研究者更深人地了解凝聚态物质的本质和内涵。这是最近半个世纪以来凝聚态物理急剧发展的原因。有兴趣较全面了解凝聚态物理学科的发展现状的读者，可参阅冯端和金国钧撰写的5凝聚态物理学（上册）一书。

在极低温度下会出现怎样的奇特现象呢？

早在100年前，荷兰科学家在研究纯净水银的低温电阻时，发现大约4.5K温度下电阻突然消失，很快又发现其他金属也有电阻消失的现象，这就是超导体的发现。大家公认电子通过和声子的相互作用形成超导电子对，是超导电性产生的微观机制。这种相互作用很弱，只有当温度低到相互作用能大于热运动能时， 超导电子对才能稳定存在。这个温度叫做超导相变温度，超导是低温凝聚态物理研究最早发现的奇特现象，100年后的今天， 科学家已制出在常温常压下相变温度大于130K的超导体。

在常温下金属或合金的电阻随着温度的降低而下降， 这是由于声子对电子的散射减弱的缘故。大约80年前，科学家发现金属铜中含有少量磁性杂质时， 有一种近藤效应， 其原因是极低温度下导电电子被磁性杂质的自旋翻转散射而引起。这种散射机制在温度稍高时就不复存在。1975年发现的重电子金属CeAl3 中导电电子的有效质量比金属铜中的电子大3个量级，其原因也是磁性杂质与导电电子的相互作用， 即近藤相互作用所导致。

上世纪70年现的电荷密度波材料，如NbSe3，在某低温发生派尔斯相变后，导电电子凝聚为集体运动状态，即电荷密度波（CDW），当外加直流电压小的情况，CDW对电流没有贡献，好像被钉/扎0住，而电压超过某临界值时， CDW开始集体运动，电阻剧减，在直流电流的基础上同时出现交流分量，且直流电压愈高，出现的交流信号频率愈大。

1986年发现的铜氧化物高温超导体和几年前发现的铁基超导体，使低温凝聚态物理研究在世界范围内掀起两次巨大的热潮，从而凝聚态物理得到突破性的进展。极低温，强磁场和超高压等极端条件下的凝聚态物理研究，将会揭示更多奇特的物理现象和规律， 对于从事凝聚态物理工作的人来说，任重而道远。

参考文献

[1]冯端，金国钧.凝聚态物理学（上下卷）[M].高等教育出版社，2 0 0 3 .

作者简介

司光明（1988.02――）山西晋城人，男，汉族，硕士研究生，研究方向：低维系统电子的特性。