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凝聚态物理学发展状况
§1凝集态物理学发展状况
凝集态物理学研究物质的宏观物理性质的学科。
所谓“凝集态”,指的是由大批粒子构成,
并且粒子间有很强互相作用的系统。
自然界中存在着各种各种的凝集态物质。
固态和液态是
最常有的凝集态。
低温下的超流态,超导态,玻色
-爱因斯坦凝集态,磁介质中的铁磁态,
反铁磁态等,也都是凝集态。
研究凝集态物质的宏观性质及其微观实质的物理学分支。
凝集态物质的共同特色是原子
(或分子)的间距和原子(或分子)自己的线度有大概相同的数目级,因此原子(或分子)
间有较强的互相作用,这使凝集态物质表现出拥有必定的体积和压缩率很小这些共同的宏观
特色;在微观构造上则拥有长程有序(晶体)或短程有序(液体)的特色(见非晶态)。
和
气体对比,凝集态物质拥有截然不一样且更加多样化的属性。
凝集态物理学波及范围极广的研
究领域。
自成立了量子理论后,
晶态固体的一系列基本宏观性质获取了较好的理论解说,
逐
渐形成了较完好的晶态物理学基础。
此后,晶态物理所研究的内容又有极大的扩
展,如开
始了对非晶态固体的研究,从完好的和纯净的晶体转移到对杂质和缺点的研究,
从体内性
质扩展到表面和界面性质的研究,
由均衡态转向瞬态、亚稳态和相变的研究,
从常温常压条
件转向极低平和超高压条件下的研究,
以及从一般晶格扩展到超晶格
(一种由不一样单晶薄膜
周期性地交替叠合而成的人工晶格)的研究,等等
。
全部这些构成了固体物理学这个弘大
学科,按所研究的问题的不一样,固体物理学又分出结晶学、金属物理学、半导体物理学、电
介质物理学、磁性物理学、表面物理学和超导物理学平分支学科。
凝集态物理学除上述内容
外还包含对液态氦和液晶的研究内容。
凝集态物理学因为其适用性强,和其余自然科学领域
联系密切,已成为物理学发展的要点之一。
目前凝集态物理学面对的主要问题是铁磁态和高温超导体的理论模型。
概略
凝集态物理学是从微观角度出发,研究由大批粒子(原子、分子、离子、电子)构成的
凝集态的构造、动力学过程及其和宏观物理性质之间的联系的一门学科。
凝集态物理是以
固体物理为基础的外向延拓。
凝集态物理的研究对象除晶体、非晶体和准晶体等固相物质外还包含从浓密气体、
液体
以及介于液态和固态之间的各种居间凝集相,比如液氦、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,目前已形成了比固体物理学更宽泛更深入的理论体
系。
特别是八十年月以来,凝集态物理学
获得了巨大进展,研究对象日趋扩展,更加复杂。
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亲密;另一方面很多新的
分支不停浮现,如强关
联电子系统物理学、无序系统物理学、准晶物理学、介观物理和团簇物理等。
进而使凝集态
物理学成为目前物理学中最重要的分支学科之一,
从事凝集态研究的人数在物理学家中首屈
一指,每年发布的论文数在物理学的各个分支中居当先地点。
目前凝集态物理学正处在枝繁
叶茂的兴盛期间。
并且,因为凝集态物理的基础性研究常常和实质的技术使用有着密切的
联系,凝集态物理学的成
果是一系列新技术、新资料和新器件,在此刻世界的高新科技领
域起着要点性的不行代替的作用。
近来几年
来凝集态物理学的研究成就、研究方法和技术日趋
向相邻学科浸透、扩展,
有力的促使了诸如化学、
物理、生物物理和地球物理等交错学科的
发展。
2.学科研究范围
研究凝集态物质的原子之间的构造、电子态构造以及有关的各种物理性质。
研究领域包含固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学、固体光学性质、低温
物理和超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理(包含薄膜物理、
表面和界面物理和高分子物理)、液体物理、微构造物理(包含介观物理和原子簇)、缺点
和相变物理、纳米资料和准晶等。
汉语中“凝集”一词是由“凝”字双音演化而来的。
“凝”在东汉许慎的“说文解字”一书中同
“冰”,指的是水结成冰的过程。
可见我们的先人最先对凝集现象的注意可能始于对水的察看,
特别是水从液态到固态的现象。
英语的
condense本源于法语,后者又本源于拉丁文,指的
是密度变大,从气或蒸汽变液体。
看来西方人对凝集现象的注意可能始于对气体的察看,
特
别是水汽从气态到液态的现象。
这是很存心思的差异,
大体和各自的古代自然生活环境和生
活习惯有关。
可是东西方两者原始意义的联合,
恰好就是今日凝集态物理主要研究的对象
—
液态和固态。
自然从科学的含义上来说,
两者不是截然分开的。
所以凝集态物理还研究介于
这两者之间的态。
比如液晶等。
液态和固态物质一般都是由量级为
1023的极大数目微观粒
子构成的特别复杂的系统。
凝集态物理正是从微观角度出发,
研究这些互相作用多粒子系统
构成的物质的构造、动力学过程及其和宏观物理性质之间关系的一门学科。
尽人皆知,复杂多样的物质形态基本上分红三类:
气态、液态和固态,在这三种物态中,
凝集态物理研究的对象就占了二个,
这就决定了这门学科的每一步进展都和我们人类的生活
休戚有关。
从传统的各种金属、合金到新式的各种半导体、超导资料,从玻璃、陶瓷到各种
聚合物和复合资料,从各种光学晶体到各种液晶资料等等;
全部这些资料所波及到的声、
光、
电、磁、热等特征都是成立在凝集态物理研究的基础上的。
凝集态物理研究还直接为很多高
科学技术自己供给了基础。
此刻正蓬勃发展着的微电子技术、
激光技术、光电子技术和光纤
通信技术等等都亲密联系着凝集态物理的研究和发展。
凝集态物理以万物皆成于原子为主旨,
以量子力学为基础研究各种凝集态,
这是一个非
常壮心勃勃的措施。
凝集态物理这个学科名称的出生不过是近来几十年的事。
假如找寻一下
它的渊源。
应当说出自于对固态中晶态固体的研究和对液态中量子液体的研究。
在对这二种
特别态的长久研究中,
人们累积了一些经验,
也成立起了一些信心,并逐渐把一些已有的方
法推行用于非晶态和液晶以致液态的研究,进而大大拓宽了视线,逐渐形成了凝集态物理。
今日,凝集态物理的视线还在连续开辟。
但是作为渊源的二种凝集态即晶态固体和量子液体,
时到现在日仍旧是它主要的研究对象,内容自然愈来愈丰富了,考虑的问题也愈来愈深入了。
毕竟我们面对的是同一个自然界,
很多现象和规律是普适的。
人们正是经过对一系列特别态
的深入研究来逐渐认识和掌握那些普适的规律。
凝集态物理学是此刻物理学最大也是最重要的分支学科之一。
研究由大批微观粒子
(原
子、分子、离子、电子
)构成的凝集态物质的微观构造、粒子间的互相作用、运动规律及其
物质性质和使用的科学。
它是以固体物理学为骨干,
进一步拓宽研究对象,
深入研究层次形
成的学科。
其研究对象除了晶体、非晶体和准晶体等固体物质外,
还包含浓密气体、液体以
及介于液体和固体之间的各种凝集态物质,内容十分宽泛。
其研究层次,从宏观、
介观到微
观,进一步从微观层次一致认识各种凝集态物理现象;物质维数,从三维到低维和分数维;
构造从周期到非周期和准周期,
完好到不完好和近完好;
外界环境从惯例条件到极端条件和
多种极端条件交错作用,
等等,形成了比固体物理学更深刻更广泛的理论系统。
经过半个世
纪的发展,凝集态物理学已成为物理学中最重要、
最丰富和最活跃的分支学科,
在诸如半导
体、磁学、超导体等很多学科领域中的重要成就已在今世高新科学技术领域中起要点性作用,
为发展新资料、新器件和新工艺供给了科学基础。
前沿研究热点层见迭出,
新兴交错分支学
科不停出现,是凝集态物理学科的一个重要特色;
和生产实践亲密联系是它的另一重要特色,
很多研究课题常常同时兼有基础研究和开发使用研究的性质,
研究成就可望快速转变成生产
力。
近20年来凝集态物理的研究热点:
1.准晶态的发现(1984年)
2.高温超导体的发现
YBaCuO2(1986年)
3.纳米科学(
1984年)
4.资料的巨磁阻效应
LaSrMnO3(1992年)
5.新的高温超导资料
MgB2(2001年)
凝集态物理学是此刻物理学最大也是最重要的分支学科之一。
据70年月中期的检查统
计,凝集态物理学年发布论文数居首位,占物理学论文总数的三分之一;从事凝集态物理研
究的人数也居首位,占总人数的四分之一;而从60年月末到80年月末,获诺贝尔物理奖的
人数中,从事凝集态研究的人数,超出了研究粒子物理的人数,凑近总人数的一半,也居首
位。
凝集态物理学得以迅猛发展,第一表此刻其研究对象的开辟上。
在由本来传统的三维周
期性构造,向着低维甚至非周期构造的发展中,所波及到的理论也渐渐地趋于深入和成熟,
从30年月的晶体构造剖析的唯象理论和固体的比热理论、金属自由电子论和铁磁性理论,
发展到30年月后的能态理论、电子衍射和X射线衍射的动力学理论,以及点阵动力理论。
年月此后,在凝集态物理学中,对称性破缺理论又占有了中心地位。
以它为基础,成立
了能态、元激发、缺点及临界地区四个层次。
和之相应,各种有序态的序参量、广义刚度、
标度不变性、自相像构造等一系列新的看法随之出生。
别的,大批非线性课题接踵出现,使凝集态物理不单在深度及广度上打破了传统固体物理学,并且向着更深层次和更大的范围蓬勃发展。
年月所盛行的纳米物理学,又成为凝集态物理的一个新的世界性研究热点。
纳米粒
子和一般尺度物体对比,
在力、热、电磁和光等方面拥有明显不一样的特征,
它们不单成为未
来新资料研究的基础,
并且也为人类在认识客观世界上睁开了一个新的层次,
和此相应盛行
了介观物理学的研究。
此刻凝集态物理学已成为物理学最活跃的前沿领域,
它不单打破了传统固体物理学,
使
研究对象日趋多样化和复杂化,
又因为很多有价值的发现出此刻互订交错的学科领域,
它又
对促使交错学科的发展,
显现出强盛的活力。
它的实验手段、理论看法和技术不停地向着化
学物理、生物、地球物理、天文、地质等领域浸透,从
DNA晶体构造到地球板块驱动力的
研究,从量子电子器件的机理到新资料的研制,
无一不睦凝集态物理学有关。
凝集态物理在
物理学以致整个自然科学中,正在显示出日趋强盛的影响力。
下边主要介绍一下高温超导研究和微构造研究方面的进展。
一高临界温度超导研究
1.高温氧化超导资料的发现和超导体制的研究
迄今为止,已有5位物理学家因为超导电性的研究而获取诺贝尔奖。
他们是:
1957年
提出BCS超导微观理论的美国物理学家巴丁
()、库珀()、施里弗(J.R.
Schriffer),于1972年获奖,从理论的提出到获奖时隔
15年;
1960年发现单电子超导隧
穿效应的美国物理学家贾埃佛(
);1962年预知约瑟夫森效应的英国物理学家约瑟
夫森(),他们时隔11年后,于
1973年获奖;1986年,在国际商用机器企业
(IBM)苏黎士研究室工作的瑞士物理学家缪勒(
)和他的学生、德国物理学家
柏诺兹()发现Ba-La-Cu-O系统物质的高温超导性,于
1987年获奖。
他们的这
一工作,这样快速地获取了诺贝尔评奖者的认可,
这在诺贝尔颁奖历史中是极为稀有的,
由
此看出柏诺兹和缪勒工作的重要意义。
陪伴着超导临界温度提升到液氮温区以上,超导技术的使用发生了一场新的技术革命。
超导技术的影响,很快地波及到了电力工程、
电能输送、电动机和发电机的制造、磁流体发
电、超导磁悬浮列车、超导计算机、超导电子器件、地球物理勘探、地质学、生物磁学、高
能加快器和高能物理研究等多种领域和学科。
只管高温超导体在适用上仅只处于初步,
但它
的远大远景已经显现出来了。
1986年以来,瑞士、美国、日本、中国等国的科学家们,相
继发现了多种高温氧化物超导资料。
这些发现,在国际上惹起了巨大的反响。
目前,超导体
的零电阻转变温度已经达到上百
K。
可是,这主假如实验物理学家的探究成就,
在理论研究
方面,仍还没有给出一种圆满的解说。
超导理论研究和超导实验研究的飞快发展极不相适应。
从这一角度看,高温氧化物超导资料的发现,无疑也是对超导理论研究的巨大冲击。
BCS
理论是第一个成功的微观超导理论。
它很好地解说了大部分元素的超导性质。
这一理论的出
发点是电声子的互相作用。
两个电子因为交换虚声子而产生引力,
当这一引力超出库仑斥力
时,电子双双地结成库珀对。
库珀对的行为就像一个松懈联合的大分子,
它们在空间延长的
范围远大于晶格常数。
不计其数个库珀对互订交叠,使电子系统获取某种
“整体刚性”,它们
能战胜个别散射事件造成的阻力,
而产生零电阻现象。
同时,它们还可以抗拒外来磁场的进入,
而致使迈斯纳效应。
但是,新发现的氧化物超导体都有一个共同的特色,即拥有一个铜
-氧
层,并表现为空穴导电。
BCS理论在Cu-O在高温超导体中,效应其实不显然,人们不得不对
BCS理论的适应性提出了思疑。
1987年,安德森()提出了共价键理论①。
该理论以为,氧化物超导体的母晶体,能够以为是莫脱(
Mott)型绝缘体,此中的电子因为
强互相关系作用被定域在各个格点邻近。
相邻格点的电子自旋相反而构成单重态共价键。
通
过混杂后,局域化的共价键系统遇到驱动,经过超交换作用,
使其退局域化而流动起来。
若
在流动中还可以保持原有的配对关系,
则可视为大批定域共价键发生共振而转变的一种超流的
库珀对会合,绝缘晶体则转变成超导体。
这类由实空间定域配对转变成能量空间的非局域配
对体制,称为“共振价键理论”。
这一理论是一种全电子理论,它和晶格振动没有直接联系,
它能说明新的超导体的弱同位素效应。
可是,因为用它说明详细问题时,
还需引入一些协助
性假定,目前还未获取公认。
还有一种称为双极子体制的理论。
该理论以为,氧化物超导体中含有正负离子交换复式
晶格。
因为极化电场的存在,致使强电声子互相作用。
当电子在晶格间运动时,造成邻近晶
格畸变。
电子和“畸变”一同运动,能够构成复合粒子,称为极化子。
当两个极化子互相凑近
时,联合畸变将形成双极化子。
无数个双极化子在空间的流动,即形成超导态。
双极化子理
论并未高出BCS理论的框架,和库珀对照较,双极化子理论则更凑近实质状况。
考虑到新超导资料的空穴导电体制,
另一种激子理论以为,氧化物超导体可视为在氧化
铜层双侧各有一金属层,而形成夹层构造。
当金属层中的电子凑近氧化铜层时,
电子的波函
数部分有可能隧穿入氧化层,
使此中的负电荷被排挤而显示一个带正电的空穴。
电子和空穴
的库仑吸引,形成电子-空穴约束对,称为激子。
同时带正电的空穴还可以把另一侧金属层中
的一个电子拉过来,于是两金属层中的电子,经过氧化层的空穴两两配对,
构成库珀对而实
现超导态。
激子体制理论能够说明氧化物超导体的空穴导电、
各向异性输运等特色。
问题在
于能否能把这类构造视为金属层和氧化物层的交叠,该理论还有待进一步完美。
2.重费密子系统及其超导电性研究
电子比热系数γ>400mJ/mol·K2的物质,常被称为重费密子系统。
它比一般资料的
γ
值高出1~2个数目级。
因为
γ值和费密能级的态密度成正比,尔后者又和电子的有效质量
成正比,γ值越粗心味着电子的有效质量越高,故称为重费密子系统。
1975
年,安德鲁斯
()等人发现,化合物CeAl3低温下的电子比热失常现象,
电子比热系统γ值达到
1620mJ/molK2·。
1979年,德国达姆斯塔特的斯泰格利士(
)研究小组发现了重
费密子系统CeCu2Si2的超导电性,其γ值为1100mJ/mol·K2,电子有效质量约为
100me①。
1983年,第二个重费密子超导体
Ube13被发现,Tc~,化合物中铀原子间距
②。
1984年,美国洛斯阿拉莫斯的特瓦特(
Tewart,C.R.)小组又发现了第三个重费密子超导体
Upt3③,Tc~。
此后又陆续发现了重费密子超导体
NpBe13、U2Zn17、Ucd11以及CeCu6
等。
这一连串的发现表示,
高温氧化超导体发现以前,
重费密子超导电性曾一度成为热点课
题。
但是在1986年此后,重费密子超导电性的研究一度被高温新超导资料的浪潮所吞没。
近来几年来,一域又出了一些十分引人关注的新象。
近来几年来的研究,
在低温条件下,重密子资料和往常的金属有着截然相反
的性。
第一,在室温以下,一般金属的阻率随温度降落得很快;重密子系的阻率
却随温度降落而快速上涨,到
50K,有一极大后,才随温度降落。
其次,重密子材
料的比性也和一般金属不一样。
在往常金属中,比能够用Cp=γT+βT2描绘。
在低于10K
的低温区,因为只考子的献,只
γT即可。
此Cp/T和T的关系曲拥有正斜
率,即Cp随温度降落而降低;但是重密子系却相反,在低于
10K的低温区内,Cp/T
随温度T的降落而明上涨,
γ也不再常数,它烈地依于温度,种
γp/T随温度下
降而上涨的性称比失常。
比失常表示,在于零度,
重密子系统的γ很
大。
明,此的子密度在密面邻近很大,
也即于些状的子拥有特别大的有
效量;更风趣的是,些资料在低温条件下的磁化率
Xm也像γ一高于正常的金属。
所以有原因相信,两个的增效可能同出于一个源。
重密子系磁化率Xm很大,一点令人想到,它可能是由重正化准粒子成
的密液体。
1956年,前物理学家朗道(
Landau,LevDavidovich1908
~1968)曾提出了
有关密液体的理。
近来几年来,于重密子系子量异样增大、它的子比和
BCS理不符以及它有无新的超体制等疑惹起了物理工作者宽泛的趣。
只管重
密子系统的Tc不高,大只有
1K,在目前高温超研究中,并没有用价,可是人,
它的Tc十分敏感,它的超性和磁性也有亲密的关系,些方面,均和的
超资料有明的差异。
研究它的体制,将令人超性的更深入一步。
目前,
各种模型和理提出,有人,重密子的超性本源来自
3p原子的配;有
人因为自旋有关造成烈各向异性的
1s配,之各种探究性的理仍在展中。
二微构物理的起
1.米物理学的生
米构指尺度米数目的超微粒,它属于原子和一般物的中域的物
。
因为它的尺度和子的德布意波数目相差不多,因此拥有多异样的特征。
米微粒及米固体的研究,开辟了人间界的新次。
早在1959年,美国有名物理
学家因曼(Feynman,RichardPhilips1918~)在加州理工学院美国物理学会的一次演
,曾卓有地地言:
“假如有一天能按人的意志安排一个个原子和分子,将会有什么
奇观?
⋯⋯我绝不疑,当在很小的尺度上控制物体的构,我就能使物体拥有极端丰
富多彩的性。
”
研究古石构,它是由原子构成的米簇(cluster)在引力下凝集而成。
有人估,种米构资料始于宇宙大爆炸。
从海壳到人体等生物系中,也能找到
多天然的米构,可是,人有控制地制造米构却非易事。
60年月,京大学的久
保亮五(R.Kubo)曾表一篇对于量子束理的文①。
篇文中到了超微粒粒
子的独到性,但在当并未惹起人的注意。
在70年月,麻省理工学院的德雷克斯勒提
出一个用模胞生物分子的分子装置,制造超微粒的想,并把它命名米技。
此
后,他和斯坦福大学合成立了米技(NST)研究。
真实米物理睁开系研究始于90年月初。
1982年,本尼格(G.Binnig)和若
H.Rohrer)了然描地道微(STM),它以高分辨率向人展了一个可的原子、分子世界。
到了80年月末,描地道微已由一个助器展因曼所想的排
布原子的工具。
90年月初,米物理学已作独立的学科研究域正式生。
1990年7
月,在美国巴的摩召开了第一届国NST会。
此,两种国刊物《Nonotechnology》
和《Nonobiology》已或马上第一版;日本和英国等少量科技先国家拟订了展米技
的国家科学划;美国自然科学基金会将米技作先展目;冠以米(Nano)
的新名词和新看法,如纳米电子学、纳米资料、纳米加工和纳米生物学等,正式在各种科技书本和文件中出现。
这全部都表示,纳米物理学已经作为一门正式的独立学科领域,步入了
物理学的殿堂,它的出生和发展,不单对物理学,相同对整个自然科学和技术产生侧重要的
影响①。
2.AB和AC效应研究
1959年,阿哈勒诺夫(Y.Aharonov)和玻姆(D.Bohm)发布一篇论文②,该论文以为,
在电子运动的空间中,不论能否存在电磁场,电子波函数的位相都会遇到空间中电磁势的影响。
由此他们做出结论,在量子理论中,电磁势要比经典电磁理论中的电场和磁场强度更有
意义。
他们同时建议了几种能证明上述理论的实验门路,
图1所示就是此中的一种。
入射电
子束在A点被分为两束,磁场B处于和图面垂直的螺线管中。
两支电子束在察看屏
S处相
遇形成干预。
在电子经过的路径上,磁感觉强度为零,可是磁矢势
A却不为零。
正是因为
磁矢势的存在,使两束电子产生了附带位相差,该值恰巧为电子路径包围磁通量的
e/h倍。
他们以为,改变B值,影响磁通量,将使位相差改变,电子的干预图样就会遇到影响。
同
样,假如在两束电子的路径上各加一只金属筒,当电子进入筒时,在两筒上加不一样的电势,
电子出离筒后,马上电势取消,电子束也会因电势的不一样产生附带位相差,
致使干预图样变
化。
发布这一理论的时候,
阿哈勒诺夫正在美国南卡罗莱纳大学物理和天文学系及以色列特
拉维夫大学物理系任教。
阿哈勒诺夫很擅长研究那些往常被人们忽略的物理现象。
他所预知
的一些效应先后被实考证
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- 凝聚 物理学 发展 状况