凝聚态物理范文

凝聚态物理范文第1篇

关键词：凝聚态物理；研究方向；成就

中图分类号：O469 文献标识码：A

一、凝聚态物理的重要性

凝聚态物理主要从两个方面体现其重要性：一方面体现为与相邻学科（如粒子物理学）之间在概念、方法、技术等方面的渗透，促进材料科学、能源科学、环境科学等交叉学科的发展，并日益显现出其强大的发展潜力。另一方面为研发和制备新型材料提供了强有力的理论数据和实验支持，同时也为开发和拓展新领域提供了极具实用性的科学理论依据。

二、凝聚态物理的主要研究方向

随着交叉学科的发展和技术需求的提高，凝聚物理的研究范围更加广阔，技术要求更加精密。凝聚态物理的主要研究方向有以下几种。

1.软物质物理学

软物质概念于1991年提出，也称为复杂液体。软物质一般是由大分子或基团组成的，介于固体和液体之间的物相。一些常的物质，如液晶、胶体、膜，生命体系物质诸如蛋白质、DNA、细胞等，都属于软物质。和由内能驱动的硬物质不同，软物质的组织结构变化主要由熵驱动，变化过程中内能的变化很微小。

2.宏观量子态

宏观量子态是指用量子力学来描述宏观体系的状态，如超导中的电子库珀对。宏观量子态具有典型的量子力学性质，当前宏观量子态领域研究的重点为耗散现象和退相干现象。

3.介观物理与纳米结构

介观是指介于宏观和微观之间的体系。介观物理学所研究的物质大小与纳米科技的研究尺度有很大重合，所以这一研究方向也常称之为“介观物质和纳米科技”。

4.固体电子论中的关联区

凝聚态物理的前身――固体物理学研究的核心问题，就是固体中的电子行为。固体中的电子行为可根据电子间相互作用的大小分为三个区域，分别是强关联区、中等关联区和弱关联区。现今研究固体电子论的大部分学者研究方向都是强关联系统。

三、凝聚态物理的主要研究现象及其理论依据

目前凝聚态物理的主要研究现象有超导、光谱、弱相互作用、磁性研究（微磁学、铁磁学、相图、磁阻、巨磁阻抗效应等）、多向异性、子晶格、态密度、能隙、强关联、激发态、量子通信、冷原子、霍尔效应等。

凝聚态物理所用的理论依据主要源于相变与临界现象的理论，成熟完备的量子力学则是其坚定可靠的理论基石，在这两种理论之下，凝聚态物理根植于相互作用的多粒子理论。凝聚态物理的前身――固体物理学中的一个重要理论依据是能带理论。目前来说一些常用的理论方法有很多，比如蒙特・卡洛方法、波尔茨曼模型、分子动力学模拟、伊辛模型、有效场、平均场，等等。

四、目前凝聚态物理研究取得的一些成就

太阳能电池和纳米器件是凝聚态物理研究在器件方面取得的较为突出的两类成就。而在材料方面，凝聚态物理的研究成果则更为明显，比如超导体、拓扑绝缘材料、纳米材料、电子陶瓷材料、复合热电材料、自旋液体、薄膜材料、碳材料（碳化C薄膜，石墨烯，石墨炔等），等等。还有很多根据凝聚态物理的特性制备出来的极具效用的成果，比如利用粒子的隧道效应制备的隧道结夹层结构，利用量子点制备单电子晶体管和微腔激光器，利用磁铁和非磁金属制备磁量子阱，等等。当然，凝聚态物理方面取得的成就远不止这些，还有很多相当具有发展潜力的成就和研究成果值得我们去深入研究和发掘。

基础科学一直以来是科学技术发展的基础和推手。凝聚态物理作为一门基础学科，诠释客观物质世界存在的现象和规律，也为人们预测和创造新的事物提供理论依据和操作指导。

参考文献：

[1]冯 端，金国钧.凝聚态物理学中的基本概念[J].物理学进展，2000（1）.

凝聚态物理范文第2篇

姚道新教授于浙江大学获得物理学学士和硕士学位，并具有多年的海外教育科研经历，2003年至2007年曾在美国波士顿大学作为研究助理研究强联电子系统中的磁性及其联问题及量子自旋系统的新奇相变等：2007年至2009年在美国普渡大学作为博士后研究员展开独立的研究工作：2009年9月至12月在美国田纳西大学与橡树岭国家实验室研究铁基超导体的磁性、轨道特性，量子自旋系统。2009年12月姚道新教授入驻中山大学物理科学与工程技术学院以来，作为联电子理论研究方向的学科带头人，展开了活跃的科学研究活动，并在学科建设、团队搭建、学术交流方向已取得了诸多成绩，并于2010年入选广东省千百十人才工程，2011年入选教育部新世纪优秀人才支持计划。

科研方面，在数十年的探索研究中，姚道新教授在凝聚态理论和统计物理尤其是联电子体系的磁性研究方面取得一系列突破，在探索物质的微观结构、研究理论模型、寻找新的物质相等方面做出了重要贡献，迄今发表多篇高质量的学术论文，回国后已发表20余篇，包括Nature Physics，Nature Communications Physical Review Letters等国际著名刊物。论文被多次引用，包括Nature、Science、美国国家研究委员会CMMP2010报告等。

攻坚量子自旋系统

在铜氧化物、IPA-CuCI、镍氧化物、氧化锰等磁性材料中，金属离子常常形成各种维度的量子自旋系统，产生各种有趣的量子现象。通过调节温度、掺杂、外场、压力等实验手段能够调控量子自旋系统，得到感兴趣的量子物质状态，继而促进新的量子多体理论的产生和发展，解释和预测实验结果。

姚道新教授在研究准二维量子自旋系统中，发现了磁化率和结构因子的普适规律，可以方便地计算层与层之间的相互作用耦合强度：通过研究二维量子无序自旋系统，发现了经典统计中的Harris指标不成立，解决了长期困扰的学术问题，有工作被欧洲物理快报证实和报道：研究了多轨道量子海森堡模型，通过调控洪特相互作用和不同轨道间的自旋相互作用，发现系统演化出各种奇妙的、在单轨道自旋模型中不存在的磁有序，例如隐藏的条纹相、棋盘相和摇摆相等。姚道新教授的这一系列成果在量子磁性、统计物理和材料研究中具有重要的意义，成果论文已被多次引用，并在重要会议上宣读。

拓新三角Kagome系统磁性研究

当格点系统存在三角结构时，比如三角格点和Kagome格点，由于自旋阻挫相互作用的存在，近邻自旋的取向会变得“不知所措”，从而导致系统基态呈现很强的简并性，这就是所谓的几何阻挫系统。对于二维格点系统，能获得系统的精确解，是学者们梦寐以求的目标。

姚道新教授在此方面对该格点体系进行了系统的研究，包括该格点的英文名称Triangular Kagome Lattice的取名。该格点结构首先在材料中发现，铜离子构成一种新的几何结构一在Kagome格点的三角基元上嵌套一个小三角，每个三角格点上都具有自旋。2007年开始，他对该格点系统进行了系统和深入地研究，在二维几何阻挫系统一三角Kagome系统的磁性研究上取得一系列成果。首先获得了三角Kagome格点上的伊辛模型、量子加伊辛模型、二聚体模型的精确解：给出了零温熵，计算了磁化率、比热，得到了外加磁场下体系的丰富相图，发现了具有拓扑性质的闭路气体相和电单级相，给实验研究提供了分析依据。

该方面后，被领域内专家给予了高度的评价，在几何阻挫系统、精确解领域产生了很大的影响。精确解可以给统计物理、计算物理、化学、以及实验物理提供基准性的测试平台，有论文还被收入统计物理精确解领域的著名专家、美国东北大学伍法岳教授的综述文章里：所做的“几何阻挫系统一三角Kagome格子上的自旋系统和精确解”的精彩学术报告，已放到中国最大的中文学术视频网站。

发展联电子材料磁性研究

近年来，由于在铜氧超导体、铁基超导体、锰氧化物、磁性半导体研究中的突破性进展，引发了人们对联电子材料的研究热潮。对这些体系中的磁有序和自旋动力学的研究成为重要的科学前沿课题。

姚道新教授在系统地研究铁基超导材料中的磁有序中，提出和改进了描述磁性的二维、三维自旋模型，和中子散射实验学家合作发现该类材料具有三维磁性特征，层内相互作用具有强烈的各向异性：探索了新发现的AFeSe类超导体的磁性，做出了理论描述：指出磁有序导致低温角分辨率光电子谱呈现各向异性：通过发展实空间的Hubbard模型平均场方法发现铁基超导体中存在自旋电荷的条纹相和向列相。他还提出量子临界相和磁有序相在高能情况下的磁激发呈现高度相似性，解释了很多实验结果。这方面的研究成果获得了领域内很高的认可，其中一个评价为“一个非常令人吃惊的结果最近被发现，那就是x和y方向的强烈各向异性。这些结果需要全新的微观机制去理解”。相成果在美国物理学年会上宣读，引起了较大反响；其中二篇论文的引用数超过100次。姚道新教授在磁有序方面的工作在联电子的磁性研究中产生了深远的影响，已引起国际同行的高度注，并于2011年受邀担任Frontiers of Physics刊物纪念超导发现100周年专刊的特约编辑，于2012年担任该刊物的编委。

提出二维量子自旋系统电学控制

姚道新教授还在量子自旋系统的电学调控方面做了进一步的研究工作。他和合作者研究了拓扑绝缘体的表面磁性离子掺杂问题，因为表面上的电子受拓扑保护而成为巡游电子，可以为磁性杂质问形成一种被称作RKKY的自旋相互作用，并有可能产生反常量子霍尔效应。他们研究得到了磁杂质问的长程RKKY相互作用的解析表达式，提出通过电学的方法来调控自旋相互作用的大小和方向，这为研究二维量子自旋系统提供了一个干净的、可调控的研究平台。于RKKY相互作用的精确形式解已被用来讨论各种拓扑绝缘体和石墨烯表面的磁性相互作用，得到了其他方法的证实。他们于反常量子霍尔效应的预测，也与最近的实验结果相符。

此外，姚道新教授和合作者也探索了量子自旋系统在量子信息中的应用，研究了一维量子自旋链和量子点之间的耦合系统，探讨了量子相变和量子退相干的系。他们发现，当一维自旋链发生量子相变时，整个系统会经历一个量子退相干到经典退相干的突然变化。这是在理论上首次通过自旋系统发现量子相变和量子退相干的直接联，对实现固态量子计算提供了重要的参考。

建设高精学科

在科研团队方面，姚道新教授在中山大学已建立起一支朝气蓬勃的研究队伍，有多名研究生和高年级本科生加入，包括数名免推直博生。他们对该方向都充满热情，其中所指导的一名本科生在欧洲物理刊物European Physical Journal B一篇，多名学生在海内外的重要学术会议做学术报告，5名研究生获得中山大学“芙兰”奖学金。现今团队承担了国家自然科学基金面上项目、科技部973项目、教育部新世纪优秀人才支持计划、博士点基金、中山大学青年教师重点培育项目等，并在光电材料与技术国家重点实验室参与负责物理化学交叉项目的磁性研究工作。在教学方面，姚道新教授严格认真，勇于创新，受到学生的好评。

凝聚态物理范文第3篇

关键词：凝聚态物理学；固体物理学；基本概念

中图分类号：O469 文献标识码：A

一、凝聚态物理学的起源和发展

1.凝聚态物理学的起源

凝聚态物理学的前身是固体物理学，固体物理学的研究对象是固体，包括它的物理性质、微观结构、各种内部运动以及彼此之g的关系。固体物理学的一个重要的理论基石为建立在单电子近似的基础上的能带理论，于1928年由布洛赫研究提出，周期结构中波的传播是能带理论的核心概念，基本建立了固体物理学的理论范式。

2.凝聚态物理学的发展

凝聚态物理学诞生于19世纪70年代，在19世纪80至90年代之间逐步发展，最终取代固体物理学这个概念。凝聚态物理学的诞生弥补了当时固体物理学研究存在的不足之处。

凝聚态物理学从微观的角度研究凝聚态物质的物理性质、结构和各种运动以及彼此之间的关系。凝聚态物理学的理论基础是相互作用多粒子理论，与固体物理学相比，凝聚态物理学的研究除了扩大研究对象范围，还有一些概念的迁移和发展。

二、凝聚态物理学的理论基础

凝聚态物理学以固体物理学研究为基础，L・朗道和P・安德森这两位科学家对凝聚态物理学的发展具有重要的影响。L・朗道提出了凝聚态物理学的主要的理论范式即对称性破缺，并引入序参量和元激发，使之普遍化。P・安德森在研究著作中强调了对称破缺和元激发的重要性，并补充提出了广义刚度、重正化群等理论。

三、凝聚态物理学的研究内容

凝聚物理学主要研究物质的微观结构与物理性质的相互关系，研究内容较为广泛。

1.固体电子论

电子在固体中的行为是固体物理学长期研究的对象，也是凝聚态物理学的主要研究内容，电子在固体中的运动相互作用大小不同，主要包括三个区域：弱关联区，形成半导体物理学的研究理论基础；中等关联区，形成铁磁学的研究理论基础；强关联区，主要涵盖对象是电子浓度非常低的不良金属，其研究尚未得出圆满结论。

2.宏观量子态

低温物理学的研究也是凝聚态物理学产生的基础，金属和合金中存在超导现象这一成果对凝聚态物理学的发展影响巨大。超导现象是规范对称性破缺的结果，宏观量子态的概念、超导微观理论等的出现填补了超导研究的空白，玻色-爱因斯坦凝聚的实现将极低温下的稀薄气体也纳入凝聚态物理学的研究范围，但是仍有一些学科问题需要研究佐证，比如非常规超导体的机制仍未得到确定的解释。

3.纳米结构与介观物理

纳米技术研究的是在0.1～100纳米的尺度里电子、原子和分子内的特性和运动规律。纳米科技将人类的研究视角转向微观世界，纳米技术的研究和应用对于人类社会生活具有开创性的意义，现在也是物理学研究的一个热点方向。

4.软物质物理学

软物质是介于液态与固态之间的物质状态，被称为复杂液体。软物质是凝聚态物理学的延伸研究学科，软物质只要受到极小的外界刺激就会产生明显反应，从而具有显著的实用效果。

四、凝聚态物理学的发展方向

量子力学作为凝聚态物理学的理论基础已基本成熟，但是由于凝聚态物理学的实际研究中涵盖较多的微观粒子体系，使研究具有复杂性，新的物质结构、物理现象的产生也对凝聚态物理学的研究提出了挑战。凝聚态物理学研究中不断与生物、化学等学科在实验技术和理论概念上发生交叉渗透，将会对人类社会发展所需要的新能源、新材料和信息技术的发展起到推动作用。

参考文献：

[1]冯 端，金国钧.凝聚态物理学中的基本概念[J].物理学进展，2000（1）：1-21.

凝聚态物理范文第4篇

关键词：凝聚态物理；关联区；量子态；理论方法

中图分类号：O469 文献标识码：A

凝聚态物理学是当今物理学中最大也是最重要的分支学科之一，它是从微观角度出发，研究凝聚态物质的物理性质、微观结构以及它们之间的关系，因此建立起既深刻又普遍的理论体系，是当前物理学中最重要、最丰富和最活跃的学科，在许多学科领域中的重大成就已在当今高新科学技术领域中起了关键性作用，为发展新材料、新器件和新工艺提供了科学基础。凝聚态物理一方面与粒子物理学在概念上的发展相互渗透，对一些最基本的问题给出启示；另一方面为新型材料的研发和制备提供理论上和实验上的支持，与工科的技术学科衔接构成科学上最有实用性的拓新领域。那么，当今凝聚态物理主要研究哪些分支内容？使用什么样的理论方法？这些研究在哪些方面有所成就？

一、凝聚态物理当今主要研究的一些分支内容

凝聚态指的是由大量粒子组成且粒子间有很强相互作用的系统。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。凝聚态物理是属于偏应用的交叉学科，研究方向和分支很多，基本任务是阐明微观结构与物理性质的关系。传统的凝聚态物理主要研究半导体、磁学、超导体等，现今凝聚态物理学研究的理论内容十分广泛，以下是其中较活跃的几个分支：

1.固体电子论中的关联区

研究固体中的电子行为，是凝聚态物理的前身固体物理学的核心问题。按电子间相互作用的大小，固体中电子的行为分成3个区域，它们分别是弱关联区、中等关联区和强关联区。弱关联区的研究基于电子受晶格上离子散射的能带理论，应用于半导体和简单金属，构成了半导体物理学的理论基础；中等关联区的研究包括一般金属和强磁性物质，是构成铁磁学的物理基础；强关联区则涉及电子浓度很低的不良金属，诸如莫脱绝缘体、近藤效应、巨磁电阻效应等，它们的物理性质问题尚未得到很好地解决。

现今对固体电子论的研究比较注重的是强关联系统。

2.宏观量子态

用量子力学描述宏观体系的状态称为宏观量子态，如超导中电子的库珀对。超导现象是电阻在临界转变温度Tc以下突然降为零，磁通全部被斥，成为完全抗磁体，超流现象是当液氦（4He）的温度降到2.17K时，由正常流体突然转变为具有一系列极不寻常的性质的“超流体”。宏观量子态具有典型的量子力学性质，如势垒隧道穿越和位相相干等。当前量子力学研究的重要课题是退相干现象和耗散现象。

3.介观物理与纳米结构

介观是介于宏观与微观之间的一种体系，处于介观的物体的尺寸可以说是宏观的，因而具有宏观体系的特点；但是由于其中电子运动的相干性，会出现一系列新的与量子力学相位相联系的干涉现象，这又与微观体系相似，故称“介观”。介观物理学所研究的物质尺度和纳米科技的研究尺度有很大重合，所以这一领域的研究常被称为“介观物理和纳米科技”。

为获取更优异的物理性能，凝聚态物理界从20世纪中期开始注重将材料按特定的结构尺度组织成复合体，若结构尺度在1nm～100nm范围内，即为纳米结构，它在基础研究中发挥的重要的作用是：在两维电子气中发现了整数量子霍尔效应、分数量子霍耳效应和维格纳晶格，在一维导体中验证了卢廷格液体的理论，在一些人工的纳米结构中发现了介观量子输运现象。在未来的一段时期内，纳米电子学和自旋电子学将成为固体电子学和光子学的发展主流。

4.软物质物理学

1991年被提出的软物质也被称为复杂液体，它是介于固体与液体之间的物相，一般由大分子或基团组成，诸如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系物质诸如DNA、细胞、体液、蛋白质等都属于这类物质，它们中大多数都是有机物质，在原子的尺度上是无序的，在介观的尺度上则可能出现某种规则而有序的结构。软物质在变化过程中内能的变化很微小，熵的变化却很大，因而其组织结构的变化主要是由熵来驱动，和内能驱动的硬物质不同。有机物质中的小分子和聚合物的电子结构与电子性质现在正受到重视，因此有机发光器件和电子器件正在研制开发中。

二、当今凝聚态物理研究的一些现象及其理论方法

固体物理学的一个重要的理论基石为能带理论，它是建立在单电子近似的基础上的。而凝聚态物理学的概念体系则渊源于相变与临界现象的理论，植根于相互作用的多粒子理论。凝聚态物理学的理论基础是量子力学，基本上已经完备且成熟。

当前常用的一些理论方法：第一性原理（特指密度泛函理论计算），蒙特-卡洛方法，玻尔兹曼模型，分子动力学模拟，伊辛模型，有效场，平均场等等。

当前被研究的一些现象：光谱，超导，霍尔效应，弱相互作用，电阻（巨磁电阻，庞磁电阻），磁性研究（磁阻，微磁学，铁磁性，巨磁阻抗效应，相图），多向异性，子晶格，态密度，能隙，强关联、激发态，量子通信，冷原子、物理进展等等。

第一性原理方法是根据原子核与电子相互作用及其基本运动的规律，运用量子力学原理从哈密顿量出发，近似处理后进行求解薛定谔方程的方法，它能给出体系的电子结构性质等相关信息，能描述化学键的断裂、重组，以及电子的重排而被很多人多热衷。

蒙特-卡罗方法也被称统计模拟方法，是以概率统计理论为基础的使用随机数来进行数值计算的方法一类数值计算方法，它是以事件出现的频率估算随机事件的概率，并将这个结果作为问题的解。

伊辛模型是描述分子之间有较强相互作用的系统发生相变情况的模型。通常使用有效场理论、平均场理论和蒙特・卡罗方法来研究它。

三、当今凝聚态物理研究的一些成就

凝聚态物理当今在器件方面取得的两方面主要成就是太阳能电池和纳米器件。在材料方面取得的一些成就有：纳米材料，电子陶瓷材料，拓扑绝缘材料，碳材料（石墨烯，石墨炔，碳化锗薄膜等），复合热电材料，自旋液体、超导体，超材料，薄膜材料。

上边所列的这些成就中，拓扑绝缘体的边界或表面总是存在导电的边缘态，这有望于制造未来新型电脑芯片等元器件。自旋液体描述物质中的一种特殊自旋排布状态，材料的作用能支持某些奇异的超导性或将一些像粒子一样拥有电荷的实体组织起来。石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，而且它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。当今对石墨炔衍生物的研究逐渐成为研究热点，研究者们积极地设计可能的石墨炔衍生物并预测其物理性质。如研究BN掺杂的石墨炔系列结构的稳定性与电子结构，发现它的性质与硼氮元素掺杂的浓度和位置紧密相关；N掺杂石墨炔可充当氧还原反应的无金属电催化剂；氟化作用可调节石墨炔带隙宽度，这使得石墨炔在纳米电子设备的使用上使其有灵活性；分别在石墨二炔和α-石墨炔中掺入硅和锗的结果是碳硅元素以及碳锗元素之间可以形成稳定的炔键结构，并且其带隙值明显加宽。总之，设计实现这些新的碳锗材料，不仅可以丰富碳相关材料的数据库，而且可以为电子设备、气体分离薄膜、储能材料、锂离子电池电极材料等方面提供可选的对象。

还有，利用粒子的隧道效应可制备隧道结这类夹层结构，诸如半导体隧道二极管、单电子超导隧道结、库珀对超导隧道结。利用与自旋相关的隧道效应，则已制出具有隧道磁电阻的磁存储器。半导体量子阱已用来制备快速晶体管和高效激光器。量子点可用以制备微腔激光器和单电子晶体管。利用铁磁金属与非磁金属可制成磁量子阱，呈现巨磁电阻效应，可用作存储器的读出磁头等等。

结论

有人说：“没有量子力学就没有手机和电脑，就没有现今互联网的普及。”从这句话中可以看出更确凿的事实：基础科学一直是科学技术发展的基础和推手，凝聚态物理在理论上的发展一方面诠释客观物质世界存在的现象，一方面又能预测人类将能解决的客观问题；而它在实验上的发展则是根据其理论上建立的模型给予验证并因此揭示客观事物的实质与规律，且据此来建立并整合理论结果和实验结果与实用技术之间的联系，使得这些客观事物及其规律最终为人类所利用。

参考文献

[1]段文晖，陈曦.清华大学凝聚态物理学科的发展历史和最新研究进展[J].中国科学，2011（4）：493-500.

凝聚态物理范文第5篇

关键词　同步辐射　凝聚态物理　范畴

1　凝聚态物理的基本理论

同步辐射是粒子加速器中从几百MeV到10GeV以上的高能带电粒子（通常为电子）发射的电磁辐射。在同步源所提供的强辐射的波长范围内，还没有适用的激光源或者可调谐的激光源。由于同步辐射具有很多我们所要的性能，比如高度大，可调范围宽、准直性强、线性极化好、稳定性高，另外这种辐射常常以0.1-1ns脉冲的形式出现，在过去的10年中，粒子物理学的这一废弃的副产品已经越来越多地应用到低能物理学的广阔领域之中，凝聚态物理学中，业已采用同步辐射从实验上确定Cu或Ni之类元素或GaAs的CdS之类半导体材料中电子的能量—动量关系E（k）；通过实验确定交换分裂同温度的依赖关系，证明用纯能带模型去解释Nir的铁磁性是不恰当的。纵观凝聚态物理学的基本理论，如固体能带理论、点阵动力学理论、对称破缺的相变理论、缺陷理论等，都非常有效。它们解释和指导了材料的生产，如：说明了铜、铝等金属的导电性；锗、硅及砷化镓等材料的半导体性质；铁、钴、镍及一些稀土金属的铁磁性；锡、铌等金属与合金的超导电性；钛酸钡、铌酸锂、磷酸二氘钾等晶体的铁电性。

2　SR在凝聚态物理中的应用

2.1　同步辐射的内涵

同步辐射是一种用途广泛的强光源。在电子同步加速器中，同步辐射强度与电子能量的四次方成正比，并与加速器半径的平方成反比。就可以借着同步光源连续拍下间隔百分之一秒的图像。（1）绕射同步辐射是很强而且极狭窄的光束，这两点特性，可用于蛋白质晶体的绕射研究，以了解蛋白质的结构。蛋白质不容易生成晶体，故样品本身的生成不是一个纯技术的问题。一般来说，生成的蛋白质晶体都很小，用同步辐射从事其绕射结构的研究已显示比传统的高强度x光绕射结果清晰得多。另外，同步辐射具有连续而光度强的特性，已开始被用于能量散布绕射的实验，照射时间短，因而可研究晶体粉末受压、加温时的相变化。（2）漫散射X光漫散射指的是高序的布喇格绕射，强度很弱，但是它对晶体结构或非晶体结构都能提供重要的资料，所以在以传统的强x光为光源的实验中，已有不少应用。同步辐射具有强的连续光谱及狭窄的光束，在这方面的研究应有很好的前途。

2.2　应用领域

凝聚态物理研究固体、液体、液晶和无序物质的结构及其物理性质和规律，是物理学中内容最丰富、应用最广泛的一门分支学科.SR的出现也是首先应用到凝聚态物理范畴，凝聚态物理涉及的范围十分广泛，本文只介绍SR在凝聚态物理若干领域的应用。

同步辐射加速器可以说是应用范围最广泛的加速器。人类利用加速器的历史已经有很长一段时间了，从汤姆生（J．J．Thomson）发明阴极射线管而发现了电子以来，已经有一百多年的历史。在这期间加速器也越做越大，而且跟核物理和粒子物理的跃进息息相关，粒子加速器可以说是推动这两门学科前进的助推器。历经一个世纪的衍生与改良，今天的粒子加速器几乎在物理的各个分支（从基本粒子到固态物理）都可以找到广泛的应用实例，即使在其他学科中（例如研究物质的化学结构、生物分子的排列，甚至进行微量元素的追踪分析）都少不了各式各样的加速器。不过，加速器的应用范围在同步辐射加速器发明以后，又大为扩充到前所未有的领域。

同步辐射不同于其他的光源，其方向性很强，并且其是一个天然的“窄束光”，能够沿着电子轨道的切弦进行发射，并以切线方向作为其轴线，在该面积较窄的椎体中集中。从时间分布上来看，同步辐射形式为脉冲式，其中，每一个光脉冲能够维持0.2ns左右的时间。决定脉冲周期的因素主要是电子团速间距其最短为2ns，最长为780ns，在跟光源有很远距离的样品中，其能够接受很高的光强度，且光斑的面积很小，在这种情况下，有利于光刻、光的，也能够在高压的情况下进行工作。因此，脉冲光源其重复性很好，且其同步辐射，为瞬态过程研究提供一定条件。对于一些需要时间分辨的试验，例如在对荧光物质发光寿命进行测量时，可以充分利用该条件。

3　应用实例——在高压研究中同步辐射的应用

物理性质的基础建立在物质结构上，而物质结构研究可以采用X射线衍射作为一种有效的研究方法。在高压时的X射线衍射不同于普通衍射，其主要区别主要有以下几个方面：首先，在高压情况下，样品的体积比较小，且射线会经过高压腔体而被吸收，同时，因为压力腔材料的强度会对其产生限制，为了保持其压力，应降低高压腔体中所具有的样品的体积。采用普通的X射线，其试验时间及分辨率不能满足要求，压力比较低的情况下，采用普通的光源也不能进行任何动态反应研究，因此，当压力大大升高时，就更不可能实现了。采用这种光源，为高压研究提供了理想的光源。

同步辐射具有亮度高、发散度低等优点，其能够产生很大的能量，从很久以前，人们就对同步辐射进行了研究，并采用其来进行高压试验，在高压情况下，结构研究紧密联系同步辐射。研究压力范围也不断拓展，目前，其压力已经达到了很高，从而为高压中物质结构动态变化过程提供研究的可能性。并且在高压结构下，采用同步辐射光源，具有更精确的测量效果。高压研究的发展是依赖于实验手段的开发和压力范围的扩大而不断深入的。

一个第三代同步辐射光源不仅可用于高压下多晶的衍射、拓宽研究压力范围，而且可用于高压高温动态过程的研究、高压下单晶衍射、X光吸收边（EXAFS和XANES）、X光荧光等实验方法的研究。

目前，世界上主要的同步辐射光源上都开展了高压研究工作。西欧国家联合在法国建造的ESPF第三代光源和日本的第三人光源Spring-8的科学规划中，高压研究也都占有重要的地位。在同步辐射上进行的高压研究内容，包括了凝聚态物理、天体物理、材料科学、化学等学科的许多前沿课题。因此，同步辐射为国际上高压研究的发展起到了关键的作用。

凝聚态物理范文第6篇

清华带给徐勇的既有开启科研之旅的机遇，也有高手如云环境下奋发图强的压力，“感觉自己来清华以后比高三时还累，但回想过去那些艰苦中奋斗的日子，总是感到轻松而愉悦。”就像他热衷的理论推导一样，过程循序渐进，结果水到渠成，他用勤奋与智慧演绎着凝聚态物理世界的“漂亮推导”。

扎根热与电的园地

人们总是赋予清华学子太多的光环，然而徐勇并不讳言，本科毕业前夕他也曾迷茫过，当时两个班的同学有一半转行金融业，一边是繁华热闹的商业街，一边是寂寞冷清的科研路，何去何从？徐勇说：“我从小就喜欢物理，在物理世界中，掌握了基本原理就可以进行无限的推导，有时用一个简单的方程就可以描述一个世界，整个推导过程看起来很漂亮。”凭着对理论推导的热爱，他不忘初心，选择了科研漫漫征途。

在清华大学高等研究院读研期间，徐勇师从中国科学院院士顾秉林，研究量子热输运的理论计算方法。高研规模虽不大，但是有开放自由的学术环境。除了研究量子热输运，徐勇还对第一性原理电子结构计算感兴趣。热与电的研究是相通的，徐勇有研究电的背景，所以在热的领域也有很多等待他开垦的“园地”。

热输运是凝聚态物理和材料科学最重要的基础研究领域之一。虽然经典理论适用于宏观体系，但为了在原子层描述和理解热输运的量子行为还需要发展新的理论方法。这对钟情理论推导的徐勇来说就像一片新开发的沃土，他在博士期间独立地发展了一套基于第一性原理的非平衡格林函数方法，用于模拟实验材料和器件中声子的量子运输，并实现了该方法的Fortran编程，基于第一性原理计算和非平衡格林函数方法，徐勇在热与电这片沃土上尽情耕耘。

清华大学是徐勇开展科学研究的起点，但不是终点。获得博士学位后，徐勇来到了德国马普学会Fritz-Haber研究所从事博士后工作研究，并获得了洪堡奖学金，受到德国总统接见。这个德国最早成立的研究所之一有着传统的科学思维训练系统，要求学者对科研一丝不苟，发表一篇论文往往需要修改六七十次，具体到文章中的某一句话该如何表达都有严格要求。

在Fritz-Haber研究所，徐勇的工作以深入的基础研究为主，发表的论文寥寥无几，他坦言这是人生比较压抑的时期，“在那里将近3年的时间并没有发表多少研究论文，但是一个人在成长过程中会遇到各种不顺，关键是遇到挫折的时候能够坚持下去。”这段经历为徐勇之后的研究奠定了扎实的基础。

随后，徐勇到美国斯坦福大学跟随张首晟教授从事拓扑绝缘体和热电材料的相关研究。美国的学术氛围非常活跃，交流过程中很容易碰撞出好的想法，加之在德国受到的一套系统的学术思维训练使徐勇在热与电的领域内游刃有余，他发表的多篇论文获得了业界的广泛认同。

发现新型拓扑材料

20世纪60年代，摩尔提出了著名的摩尔定律，即集成电路的芯片密度每两年翻一番。随着集成电路集成度的增加，器件尺寸日益变小，器件单位面积消耗的功率成指数增长，产生的焦耳热也越来越多，这部分焦耳热如果不能有效地散发出去，便会极大地影响电子器件的稳定运行，所以解决大规模集成电路的功耗和散热问题显得尤为重要。解决该问题有很多途径，徐勇介绍说，一种是设计低能耗电子器件，第二种是在热输运的控制中寻找散热性能好的新型材料，第三种是开发新能源。他关注这三方面的研究，并取得了一些成绩。

什么是低能耗电子器件？徐勇打了一个形象的比喻：电子在电场下的运动就像开车，杂乱无章的交通路段会降低车速。对电子而言，运动路径上的障碍（对应于材料中缺陷和杂质）越多，电子越需要迂回绕行以躲避路障，电阻就会越大；如果导电通道内的电子都朝一个方向走，那么，这样的到点通道就像是电子的高速公路，电阻小，耗散低。很长一段时间内，人们一直在努力寻找室温下无耗散的导电通道，以期实现无需低温冷却的零电阻导电。

拓扑绝缘体是一类具有绝缘体态和受拓扑保护的金属边界态的新型量子材料，在无耗散导电领域具有广泛的应用前景。2006～2007年期间，张首晟教授发现二维拓扑绝缘体支持量子自旋霍尔效应，它们的边沿态因受拓扑保护而无背散射，很有希望应用于零电阻电子输运。2013年，徐勇在此基础上预言了一种名为stanene（锡烯）的新型拓扑材料，它由单原子层的锡构成，它的边沿态在室温下可以实现量子自旋霍尔效应。作为一类新型的量子自旋霍尔绝缘体，stanene及其相关材料具有很多优点：它们的体能隙相当大，支持室温下的各种实际应用，通过化学修饰和外应力可以有效调控量子自旋霍尔态。这一发现有利于设计更快、更有效的微芯片。

有关stanene的预测一经发表便被Scientific American、Nature News和其他杂志广泛报道，德国、中国以及Stanford和UCLA的实验室随即展开了相关实验。2015年8月，他与上海交通大学的贾金峰和钱冬组合作，首次在实验中生长出单层stanene结构，该成果发表在Nature Materials杂志上，掀起了stanene研究的热潮。

提高拓扑绝缘材料的热电效率

每一个科学家都有一颗朴素的报国心，他们希望自己的科研成果能够有用武之地，特别是那些关系国计民生的重要领域，徐勇也如此，他对能源和环境问题尤其关心。

相关的统计数据表明，汽车能源消耗的70%以热能的形式耗散掉，如果将这些能量转化为电能加以回收利用，可以极大地缓解当前的能源危机。美国10年前计划用热电回收汽车尾气，现在已接近投入商业化生产阶段，预计可将汽车燃油效率提高10%。

热电材料是一种功能材料，它可以利用温度差产生电压，从而用于废热回收；它也可以将电流转化成热流，用于制冷。显然，热电材料的使用可以为能源和环境问题做出重大贡献，寻找高性能的热电材料一直是材料科学追求的目标，但热电材料目前存在的最大问题是效率不高。热电材料的效率主要取决于品质因子ZT，目前世界上ZT值为1的记录至今已经保持了几十年。徐勇提到，如果能把ZT值提高到3～4，热电材料就可以为传统电器行业带来革命性影响。

“拓扑绝缘体的发现给热电研究带来了新的发展契机，因为许多拓扑绝缘体本身即是很好的热电材料。”一直以来，ZT被认为是热电材料的本征属性，所以ZT值的改变很困难。然而，徐勇通过研究发现，与通常的材料不一样，拓扑绝缘体的ZT并不是热电材料的本征属性，它可以依赖几何尺寸发生改变，传统的ZT定义因此不再适用，他重新给出了一个广义的ZT定义。

在新的ZT定义基础上，徐勇提出，优化拓扑绝缘材料的几何尺寸可以显著改善拓扑绝缘体的ZT。由于非磁性杂质与无序可以极大地散射声子而几乎不影响边界电子态输运，拓扑绝缘体完美地实现了“电子晶体-声子玻璃态”，从而得到极高的ZT（>4）。他以stanene为例，预言通过优化stanene的几何尺寸，在stanene的纳米带体系中可实现大于3或4的ZT值。徐勇的这些发现为热电科学与技术指明了新的发展方向，为提高拓扑材料的热电效率提供了新的思路，引起了国内外同行的极大兴趣。

在徐勇的科研长途中，每一个阶段都有它独特的意义。中学时代的艰苦条件历练了徐勇勤奋刻苦的求学品质，清华时代的不懈努力成就了徐勇生命中的重要转折，德国系统的科研思维培养了徐勇精益求精的治学精神，美国传统的实用理念催生了他位列国际前沿的累累硕果。

凝聚态物理范文第7篇

摘 要：凝聚态物理学作为物理学的一大分支，其研究前景十分广泛。凝聚态物理学是研究凝聚态物质的物理性质以及它们的微观结构的学科。其通过分析构成凝聚态物质的电子、离子、原子、分子的运动形态和运动规律，从而对凝聚态物质的物理性质进行认知。凝聚态物质是固体物理学的一个拓展方面，研究的物质的典型特征之一是其具有多种形态。同时，凝聚态物理学也为材料研究引入了新的体系。本文就目前凝聚态物理学发展情况，对其中的基本概念的产生、含义及其发展进行阐述。

关键词：凝聚态物理学；基本概念；特点阐述

凝聚态物理学的基本概念需根据物质世界的层次化进行阐述效果会更加明了。作为一门至今仍然拥有丰富生命力的研究学问，凝聚态物理学时时刻刻影响着我们生活的方方面面。例如，液态金属、溶胶、高分子聚合物等等物质的研究都和凝聚态物理学有着密不可分的联系。凝聚态物理学发展历史和其理论支撑，是对凝聚态物理学的基本概念进行阐述的基础。

一、凝聚态物理学发展历史

1、物质世界层次化

为了对凝聚态物理学基本概念进行阐述，首先就需要提到物质世界层次化的研究方式。纵观二十世纪的物理学发展，在二十世纪初，两大划时代的物理理论突破的出现，拉开了宇观物理学和微观物理学的探究序幕。两大理论即是相对论和量子论，相对论和量子理论是对传统物理学的质疑和挑战。其中，狭义相对论修正了经典物理学当中的电磁学和力学之间存在的矛盾；广义相对论则是为近代物理学当中的天体运行研究做出了巨大的贡献。量子论的建立正式拉开了现代物理学对于微观世界的研究，使得基于原子乃至更小系统的探究成为可能。现代物理学的研究方式正是基于这一种将物质世界进行分层的观点进行的，因为物理学当中的理论使用范围都有区别。例如，在宏观世界当中，牛顿力学成立；在微观世界当中，牛顿力学就难以支撑实验事实了。

2、凝聚B物理学的步步发展

从科学家开始探索微观世界开始，凝聚态物理学就悄然发展开来。科学家从原子物理出发，深入到原子核内外空间的研究，为了探索微观世界粒子的基本特性，建立了多代高能粒子加速器，使得近代微观物理学探索出中子、夸克、轻子类的微观粒子。同时，近代物理学的一条研究途径也是将原子物理作为基本主线。在这条研究主线当中，量子力学和统计物理学向结合，奠定了固定物理学的基础。固定物理学的逐渐发展扩大，演变为了凝聚态物理学。凝聚态物理学的研究发展从简单到复杂，从宏观到微观。其结合到其他学科（材料学、化学、生物学等）共同创新，取得了巨大成果。

二、凝聚态物理学的基本概念阐述

1、基本理论

凝聚态物理学基本概念中最重要的基础则是构建这门学科的理论支撑。其基本理论当中的核心即是量子物理和经典物理。根据凝聚态物理学的发展历史来看，量子物理理论推动了凝聚态物理学的发展，使其对众多实验研究成为可能。经典物理理论在凝聚态物理学中并非一无是处，仍在一些研究方面起着不可忽视的作用。两种理论知识在凝聚态物理学当中的应用都存在着自身的适用范围，下面对其进行比较说明。在中学物理中我们初步了解到，物质粒子具有二象性――粒子与波。在粒子的二象性当中，粒子所具有的波动性使得量子力学有别与经典力学。二者的适用范围的界限通常是一些临界温度、直径、场（电场、磁场）强等方面。

2、凝聚现象

凝聚态物理学的基础概念即是凝聚现象，然而凝聚现象在我们日常生活当中是随处可见的。大家都知道，气体可以凝结成固体或者是液体，液体和固体之间最明显的区别是液体的流动性。根据量子力学等理论分析，在某些临界温度附近，物质之间就发生凝聚现象。发生凝聚现象的物质往往具备一些新的物理性质。例如物质原有的沸点、导电性、光敏性等发生改变。

3、凝聚态物质的有序化

根据中学物理和化学的知识可知，物质反应在平衡状态时，其系统能量内能与熵等因素的影响。系统物质内能的上升使得系统趋于不稳定性，使得熵值增加。当温度下降时，凝聚态物质则趋于熵值下降和系统稳定，研究发现，凝聚态物质往往是某一种有序结构的物相。大量物质粒子所组成的系统表现出来的直观特征即是位置序，这也说明不同的粒子直接是存在着相互联系的。当然，也存在着粒子相互作用较弱的情况，其宏观表现即是粒子无序分布。在经典粒子系统当中，使得系统有序化的物理基础则是粒子和粒子之间的相互作用，这可当作是量子力学当中的一个问题处理。根据中学知识我们知道，在量子力学当中，物质粒子存在着位置不确定性和动量不确定性。根据上述进行总结，凝聚态物质是空间当中的凝聚体，而相对空间往往是分为两个方面。一方面是位置形态空间，另外的一方面是抽象的动量空间。凝聚态物质的有序化在这两个空间当中的存在形态极为丰富。

三、研究概念阐述

凝聚态物理学当中基本的研究概念在于以下几个方面。第一是固体电子论。对固定系统当中电子的行为研究是凝聚态物理学一直在努力的方向，按照电子行为的相互作用的大小，又将其分为三个小的区域。首先是弱关联区，这个区域的研究已经取得了巨大进展，也是构成半导体物理学的理论基础。其次是中等关联区域，主要研究对象包括的是一般的金属和强磁性的物质，其构成了磁铁学的物理基础。强关联区受能带理论发展的影响，目前其研究还有待开拓。第二是宏观量子态。宏观量子态研究当中对某些物质的超导现象的研究是一个重点，一些非常规的超导体研究也是目前科学家所努力的方向。第三是纳米结构与介观物理，凝聚态物理学对于一些简单物质的研究已经较为清楚。按照不同物质材料的结构尺度进行探究是凝聚态物理学研究的新方向之一，纳米结构和介观物理需要量子理论进行支撑，研究目的主要是为了获取材料和器件的复合体，同时创造出一些具有优良性能的物理材料。

四、总结

凝聚态物理学的理论基础是量子力学，目前量子力学的发展已经趋于完备。由于凝聚态物理学设计大量微观粒子的研究，其复杂程度较高，需要研究者从实验、计算、推演等方面开展研究。凝聚态物理学作为一门高新技术，其研究前景十分广阔。只要充分结合其他相关学科知识，加以探究，一定会取得更加丰硕的研究成果。

参考文献

[1]冯端，金国钧.凝聚态物理学中的基本概念[J].物理学进展， 2000， 20（1）：1-21.

[2]臧佳栋.凝聚态物理学中的拓扑现象[J].复旦大学， 2012.

凝聚态物理范文第8篇

近20年以来，基于图形处理器（GPU，Graphics Processing Units）的计算模拟技术快速发展，研究内容几乎涵盖了各个学科。本书通过梳理GPU技术的发展历史，突出了GPU的技术优势，并重点介绍了图形处理器在电子结构计算方面的应用及进展。

全书分为两个部分。第一部分 主要是计算科学的发展历史和常用的电子结构计算方法，包含第1-3章：1.介绍并行计算的历史背景和GPU技术的出现，突出GPU相对于CPU在海量数据处理方面的优势；2.介绍目前最流行的CUDA通用并行计算架构，并分析了GPU技术对硬件和软件的要求；3.总览电子结构计算方法，包括哈特利-福克方法、密度泛函理论、半经验理论等，并分析了不同的基组函数选择对计算效率的影响。第二部分 主要是对各种不同基组函数和不同计算方法的细致分析，含第4-14章：4.基于GPU的高斯型基组的哈特利-福克方法和密度泛函理论的计算，进行了烯烃和水分子相互作用计算的实例，其主要应用于原子与分子的尺度；5.结合ADF软件，分析了GPU对Slater型基组密度泛函理论的计算效率的提高；6.基于小波变换的大规模并行混合架构密度泛函理论计算；7.基于平面波的密度泛函理论电子结构计算方法，并对几何结构弛豫、能带结构与电子密度计算进行了分析。相比于CPU，GPU的计算速度更快，同时也对计算软件的优化提出了更高的要求；8.GPU对线性标度算法中的稀疏矩阵乘法的加速；9.基于格点的投影缀加波方法，GPU在提升该方法计算速度方面还有很大的空间；10.GPU在实空间密度泛函和含时密度泛函理论方面的应用；11.GPU对半经验的量子化学计算方法的优化；12.GPU对MollerPlesset二级微扰理论计算方法的改进；13.基于GPU的迭代耦合簇方法，此方法主要解决多体问题，并主要应用于费米子体系；14.基于GPU的微扰耦合簇方法，并从单参考态耦合簇方法和多参考态耦合簇方法两个方面进行了分析。

本书对于图形处理器的电子结构的计算方法做了细致的介绍，并在每一章都列举了计算实例，辅助读者理解GPU在数据计算方面的优势。由于基于平面波的密度泛函理论是目前材料科学计算领域最常用的方法，因此作者在第7章花费了较多篇幅介绍了该方法的理论背景，并对CPU和GPU计算实例进行了比较，凸显了GPU的计算优势。因此本书对于从事计算软件开发和材料计算科学的研究人员有重要的参考意义。

梁飞，博士研究生

凝聚态物理范文第9篇

量子纠缠态的性质刻画特别是它的大小测量是一个有意义的课题。研究表明量子纠缠态的大小一般可以由纯态的冯诺伊曼熵来衡量，对于一个两量子比特系统，冯诺伊曼熵大的态可以通过局域量子操作及经典通讯变换为另一个冯诺伊曼熵小的态。但是对高维系统，却经常存在两个量子纠缠态并不能互相转化的情况，甚至存在更复杂比如所谓纠缠催化的情况：即在纠缠态转换过程中有辅助的纠缠态起到类似化学催化剂的现象。在刻画这些纠缠态性质方面，大家最近发现冯诺伊曼熵的推广即任伊熵是一个好的量子纠缠大小的测度，可以准确的刻画纠缠转化行为。同时随着量子信息科学的发展，人们也希望能利用量子信息科学里的一些技术和方法来研究比如凝聚态系统的一些量子行为，例如对量子相变的刻画。反过来也希望凝聚态物理对物质量子相的性质研究能对量子信息处理和量子计算是否可以在这些系统实现给出提示。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）理论室范桁研究员、博士生崔健与新加坡国立大学等合作在不同量子相的不同量子计算能力方面的研究取得重要进展（Nature Commun.3，812（2012））。他们通过对模型基态任伊熵的偏导正负性的判断，发现其行为可以准确区分凝聚态模型的不同量子相，而且不同的量子相确实在量子计算的能力方面是不同的。

量子计算的实现在方法上大致可以被分为两种，量子逻辑门方法和绝热量子计算方法。研究表明这两种方法在计算能力和计算复杂度方面是等价的。他们选取了一种可以用绝热量子计算实现的量子算法，通过对一维横场伊辛模型和XY模型基态纠缠任伊熵的分析发现，在绝热量子计算的实现过程中，在一些量子相里，绝热量子计算需要整体相干操作，而在另一些量子相里，绝热量子计算可以通过较简单的局域操作辅助以经典通讯。而对比如量子搜索的研究表明，局域操作在所谓的量子加速方面并不起作用。从而表明不同的量子相具有不同的量子计算能力。

凝聚态模型基态的任伊熵研究对量子相变的刻画及在量子计算中的作用是一个新的方法，不同量子相有不同的量子计算能力这个结论对具体物理系统的选取有指导意义。相关工作发表在近期Nature Commun.上（Nature Commun.3.812（2012））。

此项工作得到国家自然科学基金委员会，科技部973计划和中国科学院的支持。

凝聚态物理范文第10篇

80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。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。

2011年4月25日，台北市，一年一度的IEEE国际磁学会议（InterMag）正在进行中。这是一次国际磁学界的盛会。突然间，观众席上响起了雷鸣般的掌声，一个年轻人走上讲台上，为大会做特邀报告。他就是孙周洲，大会的分会主席，中国理论凝聚态物理领域的杰出学者。

孙周洲，1999年本科毕业于浙江大学物理系，2006年在香港科技大学物理系取得博士学位，导师为著名理论凝聚态物理专家，国家“”入选者王向荣教授。孙博士曾在香港科技大学、香港城市大学担任研究员。之后入选德国部级基金一亚历山大冯洪堡基金会的资助，在德国雷根斯堡大学理论物理所担任洪堡研究员。2011年回到中国，现为苏州大学物理科学与技术学院特聘教授。他曾参与了国内外多项科研项目，至今共发表SCI论文33篇，包括多篇高影响因子的论文：3篇Phys.Rev.Lett.多篇Phys.Rev.B.Appl.Phys.Lett.等，论文总引用次数329次，他引275次，h指数等于9。

定位前沿，挑战尖端

孙周洲的研究重心定位于“纳米磁电子学”领域，属于“自旋电子学”领域范畴。这是一个当今非常热门，极具吸引力的科学前沿。这个新兴领域，既有纯学术问题的探讨，又有巨大的工业应用前景。从工业应用方面来说，纳米磁电子学或自旋电子学是新一代磁相关产业的理论基础，有数据表明，国际上磁相关产业的增长正在赶超现有的半导体工业产值。正如美国自然科学基金会指出的，“巨磁阻效应”（GMR）引发的新一轮自旋纳米器件的研发和纳米自旋电子学的理论研究热潮，将会推动新一轮工业革命的到来。磁信息产业将会包括，新一代磁性硬盘、磁性内存，磁传感器，全金属化自旋晶体管，磁性逻辑元件等等，具有高速，低功耗，量子相干性强，非易失性，高可靠性等诸多优点。

孙周洲简明地介绍了他的主要研究内容：一是介观或纳米尺度下的自旋电子学及纳米磁性系统中的磁矩动力学研究。比如通过施加磁场或自旋极化电流造成在磁性纳米颗粒或纳米线中的磁矩翻转现象的研究；二是介观或纳米尺度下的电子输运现象的研究。比如在超晶格，量子点／线／井，石墨烯，二维电子气等系统中，理论研究电子在其中的量子输运现象。

“自旋电子学”、“纳米磁电子学”？这些名词不光对于我们这些非专业的人来说是头一次听到，就是相对专业人士也是比较陌生的名词。它们与凝聚态物理学有着怎么的关联？

孙周洲接着介绍说，从纯学术方面来说，纳米磁学是传统磁学的延伸。传统磁学虽然古老，但仍有众多问题未从理论上给予最终理解，纳米磁学的研究为磁学研究打开了的一个全新的视角，势必能促进对磁学学科的发展。例如近年来发现的“庞磁阻效应”（CMR）表明Mn基钙钛矿氧化物系统是一个具有极丰富物理的强关联体系，而强关联系统一直是凝聚态理论物理的最有挑战性的领域。另外，由于自旋是非常优秀的量子位的物理基础，因此，关于自旋电子学的理论研究可促进当今另一重大科研前沿一量子计算机的实现及发展。

当问到孙周洲为什么选择这样一个充满挑战的研究领域时，他原本平静的表情开始丰富起来，眼神也跟着闪烁。看得出来，他是如此热爱这项工作，以致于那些艰难、那些迷茫都不算什么了。从“凝聚态物理学”、“自旋电子学”、“纳米磁电子学”……孙周洲正是被这样一个五彩斑斓变幻莫测而又充满着无限可能的科学世界所吸引，并深深的投入、沉浸。不畏挫折，不断探索，在这样纷繁交叉的领域中取得了一系列的创新成果。

敢于创新，敢于突破

一分耕耘，一分收获。经过多年的探索与实践，孙周洲在两个重要的研究领域取得了突破，形成了极有分量的学术成果：

一是在半导体超晶格中的非线性电学输运理论方面，他提出了多个创新性概念。他将非线性科学中的极限环振荡理论用于半导体物理领域，在理论上预言了电流自振荡在交流下的锁频现象，并且很快获得了实验验证。这项成果的创新性及科学价值表现为：将半导体物理领域与非线性科学领域的知识交叉思考结合，提出一套用非线性语言来解释半导体物理领域的思路和途径，并可相应的推广至其它的物理系统，具有一定的普适性。在应用价值上，超晶格中的电子自振荡现象可用于制造高频THz纳米级固态电子振荡器。而孙周洲提出的极限环振荡及相应的锁频理论，均可为今后超晶格振荡器的工业应用提供良好的理论指导和依据。这一理论成果使他在第14届全国半导体物理会议上做特邀报告。相关的多项工作以第一作者发表在Phys.Rev.B、AppI.Phys.Lett、New　Journal　of　Physics等国际重要物理期刊上。

二是在纳米磁学及自旋电子学领域中的磁矩动力学调控理论方面，孙周洲在其中做出了多项理论突破。包括磁矩动力学的非线性翻转理论；采用任意含时磁脉冲或圆偏振微波可以极大地降低临界矫顽场从而减少能耗的方法；理论上解析找到了最优翻转磁脉冲的精确形式。此外，在使用自旋极化电流驱动磁化所谓当前凝聚态物理最前沿之一的课题上，孙周洲也做出多项突破性工作，包括优化调节电流极化方向、加速磁畴壁运动，提出两体磁颗粒中的零场翻转现象等。取得的多项成果以第一作者发表在Phys.Rev.Lett.（物理类顶级杂志）、Phys.Rev.B、Europhys.Lett，等国际一流物理期刊上。并在德国著名的Springer学术出版社出版的学术书籍“NanoscaleMagnetic　Materials　and　Appl　ications”由合作撰写了一章工作综述。

孙周洲将传统的磁学领域与非线性科学领域的知识交叉思考结合，创造性地提出了采用含时磁场或电流操控磁矩动力学的理论框架，这在之前几乎无人涉及。在经济价值上，磁矩动力学行为的物理理解对于超高密度存储介质（如硬盘），磁性内存，磁性逻辑器件等具有极其重要的理论指导意义。因此，提出的降低矫顽场（即减少能耗）的研究成果对磁化、存储工业具有极重要的经济意义。而微波辅助磁矩翻转的提议已经得到了许多实验验证，微波辅助降低矫顽场已有趋势发展成为磁学领域的一个重要专题方向。另获得的最优磁化脉冲的精确解形式，确信也会对今后的磁学实验及信息工业界提供重要的理论依据，对今后的低能、快速读写磁头工业前景具有重要的指导意义。此外，孙周洲提出的通过调节优化电流自旋极化方向，从而降低自旋极化电流驱动磁化方式下的临界电流值，为解决此工业技术瓶颈提供了一个重要的理论解决方案。

目前孙周洲即将开展的是2013年国家自然科学基金面上项目：自旋转移矩微波发生器的最优构型的理论分析及模拟。他充满信心地说，纳米磁电子学是一个新兴学科，对于我国信息产业赶超国际信息工业的新一轮发展具有极重要的意义，因此如果能增加投入，吸引更多优秀的学者、年轻人从事这一方向的理论及实验研究，提出及制造新型的自旋功能器件，势必能为我国的信息工业发展带来巨大的生命力。

未来他仍将把工作的重心放在纳米磁电子学的理论研究，在自旋极化电流驱动磁矩翻转这一当前凝聚态物理最前沿之一的课题上探索与前行。

结语：