大分子超导什么是凝聚态物理是什么?

从知识结构上来说,凝聚态就是你大学本科时学的统计物理和固体物理的延续,深入和拓展,但是固体物理依旧是凝聚态的大头部分。凝聚态物理研究的物理系统更丰富了,所涉及的范畴也越来越宽,但是主要的研究工作还是围绕各种超导超流,不同系统的相变现象,研究方法还是二次量子化,朗道平均场,重整化群,费曼图…从狭义上说,凝聚态就是研究材料的。主要你做的东西和材料相关,包括半导体芯片之类的,都可以算是搞凝聚态的。所以说当今物理圈有至少一半的打工人都属于凝聚态领域。从哲学上来说,凝聚态是研究为什么“ more is different.”的。区别于搞微观粒子和宏观力学的,凝聚态研究的是多粒子系统,凝聚态研究的系统介于微观粒子物理和宏观系统的中间部分,多粒子组成的系统,各粒子之间存在相互作用,无法直接直接用单粒子耦合方程去计算,当然要开发一些剑走偏锋的研究方法。其实从19世纪开始,固体物理就是研究这些系统的,只是到了近代,各种量子力学的方法被引入固体物理,各种极端条件下的物理现象被发现,固体物理再也无法囊括四海了,才产生了“凝聚态”这个词。}
谢邀 @戴伯文。真的不太敢回答这种庞大的问题,仅仅只能抛砖引玉,期待别人更加有趣的回答。凝聚态物理是一个很神奇的学科,它横跨好几个尺度上的能标,从微观、到介观、到宏观。凝聚态物理是一个研究原子、分子和人工原子分子的集合体的学科,这些集合体,可以按照不同角度去分类,例如,可以分为固体(原子材料、分子材料)、液体(以氦作为代表,以及有一些相互作用体系性质类似液体,例如光子流体、超冷原子液体)、原子气体(例如超冷原子气体)、光子气体(光子晶体)。在不同尺度上,凝聚态物理往往会使用非常不同的哲学来研究凝聚态系统,我自己是用这样的角度去审视的:先来介绍横轴,横轴是体系的特征尺度,而由于量子力学关系, l = \hbar c/E ,能标随着特征尺度的增加而减小。举个例子,利用X射线衍射(XRD,能标一般处在keV量级)我们能够观测到体系的微观组成, i.e, 体系是什么原子构成的、内部晶格是什么样子的,而利用角分辨光电子能谱(ARPES,能标一般处在eV量级),我们往往看到的信号都是固体内部的激发出的准电子导致的。纵轴没有具体的意义,只作为方便排列展示的用途。在各个尺度上,我们都有一些特征的实验,例如,在最小的能标上,我们测量比热、磁化率、压缩率;更加精细地,我们(fabricate一个样品之后)可以测量电导、霍尔电导。高一些能标的包括,利用(准粒子的)动量、能量守恒,利用散射实验测量准粒子的性质,它们(包括上面说的XRD等):拉曼光谱
,红外光谱,X射线光谱\晶体学,还有处于相似能标的电子谱,X射线荧光光谱、 光电子能谱(包括ARPES),其他的荧光光谱等等。如果愿意仔细的fabricate样品,还可以进行超导实验,连一些超导量子干涉仪(SQUID)等等。言归正传,现在来从左到右来看看上面的图片,率先起到作用的是体系的微观细节。凝聚态系统的微观细节其实也分内在的主宰的能标,但是比较复杂。让我们简要的谈谈,有如下几点比较重要:1、体系是费米子组成还是玻色子组成。2、体系参与构建准电子的性质,即进入能带的是哪些壳层的电子。等等等等。随着特征尺度的增加,微观细节开始变得不那么重要,注意,凝聚态工作者似乎都不工作在只有微观细节主宰的能标。超出了微观细节之后,凝聚态系统的性质也逐渐变多了,例如 ,我们现在通常关心一个凝聚态体系的宏观特征,例如伸缩性(压缩率),储热性(热容),光电特性(和选择定则和准粒子激发有关)。其中比较重要的一点就是体系是处在有能隙相(gapped)还是无能隙相(gapless),实验上来说,就是外部激发体系需要有限大小的能量(有能隙,或者不可压缩的)还是任意小的能量(无能隙,或者可压缩的)。回到我们的讨论——
一旦特征尺度增大到要计算统计性质,维度就马上开始扮演非常重要的角色,这主要是因为,从数学上,一方面,1~3D的格林函数大不相同; 另一方面1D体系带边情况不同于>1D,1D的边界是不连通的,而带边的>1D平面的边界是连通的【1】。(a)在高维度 ,近自由电子激发可以看成单个粒子激发。(b)由于pauli不相容原理,一维的费米子无法自由的穿过对方,因此它们只能在链子上推推拉拉,以至于只有集体模式才能存在。【1】接下来进入我们眼中的是体系的对称性。首先对称性能够联系上的就是对称性破缺,举个例子,对于高温度下的原子,也就是环境压制(或者说抹平了)体系一切细节的状态,体系拥有完整的对称性( E(n)=\mathbb{R}^n\rtimes O(n) ),随着温度下降发生对称性破缺从而演生出晶体序,体系的对称性自发破缺( \to Z^n \otimes
\textit{other group} ),这样就演生出了声子【2】。除了最基本的晶体序可以用对称破缺理解,大量的凝聚态现象都可以用对称破缺理解——使用序参量来表征对称破缺,从而研究相变和临界现象。举个例子,对于液体,选择序参量为密度,对于液体 \left\langle\rho(x)\right\rangle \sim \rho_0 ,而对称破缺相,固体,则有 \left\langle\rho(x)\right\rangle \sim \rho_0 + \rho_k\mathscr{R}[e^{ikx}] ,这个过程中 \rho_k 从零变成了非零值,因此\rho_k可以被看作某种序参量。对称性破缺理论的最成功之处,是发现了在凝聚态系统中普遍存在的“普适性”(universality),它是指,体系的低能激发往往不依赖体系的微观细节,而依赖体系的维度、对称性等等“介观细节”,因此,有经验的物理学家经常通过对现象的观察,通过对称性和直觉构造出“唯象模型”而避免了繁杂的、出自于微观细节的推导。对称破缺可谓是凝聚态物理学家生命的拯救者。随后加入主题的,是体系的拓扑性质。在21世纪的今天,每一个物理系多多少少都会介绍微分几何,量子力学中的几何描述现在看起来非常自然,考虑定义在参数空间上的一族希尔伯特空间,内积运算 \mathcal{H} \times \mathcal{H} \to C 为量子相空间配备了自然的曲率二形式(Berry Curvature,或者说是经典力学辛形式的残留),以及一个黎曼度规(Fubini-Study度规),因此这是一个Kahler流形;从另一个角度,不同相位标记同一个量子态,希尔伯特空间商去一个不重要的相位得到的等价类构成了真实的相空间,也就是射影空间 ,这样的映射赋予了一个U(1)主丛结构。定义主丛上带群性质的微分形式,也就是 \Lambda^p(P,\mathscr{g}) (符号意义自明),按照stokes定理暗示我们的,研究流形的某些拓扑不变量,也就是同调理论,可以归结于对偶的上同调理论的研究,我们就可以利用微分结构来研究量子相空间的几何了。这样的参数空间,在多体物理中往往可以从某种对称性得到 ,例如平移对称性给出的布里渊区,或者某些人工对称性给出的人工维度(光子晶体或者量子模拟中常用)。举一个简单的例子 ,对于1D具有平移对称性和手征对称性的体系,哈密顿写作:H(k) = \left(\begin{matrix}
0 &q(k)\\q^\dagger(k)
&0\end{matrix}\right)对应的波函数给出了 [-\pi,\pi] \to CP(1)
上的一个映射,容易看出同伦不变量 v_t =
\frac{i}{4\pi}\int\Gamma H^{-1}dH=0 其中 \Gamma 为手征算符,这里为
\left(\begin{matrix}
1 &0\\0
&-1\end{matrix}\right) ,但是对上半部分的 q 定义 v =\frac{i}{2\pi}
\int q^{-1}dq 是可能有限的。容易验证在不打破体系对称性的微扰 H'=H+\delta H 下它是稳定的,这个数就给出了体系的拓扑分类。研究发现,在同一个拓扑分类内部,不需要打破对称性就可以发生相变,它体现在对应的有限体系在两端是不是和拓扑数有关的零能态,(注意 \det
H
= -\det
qq^\dagger ),这样的周期性系统的拓扑数和边界上的理论的对应关系,叫做体边对应关系(Bulk-edge correspondence)。类似上面描述的这样的相,X.-G Wen等人将其精确的定义成了对称保护的拓扑相(SPT phases)。同时,利用几十年前Altland-Zirnbauer对无序体系的对称性分类,Kitaev完成了二次型(包括)费米系统(即无相互作用系统)在手征、粒子空穴、时间反演对称性(CPT)下的全部分类(注意反幺正关系更具有稳定性)【3】.最大特征尺度的,或者换一句话说,对扰动几乎最稳定的,就是仅仅靠维度和拓扑就能定义其上的某些激发【4】。举个例子,二维参数空间 T^2 的量子系统的曲率二形式对应的积分:C=\int \mathcal{B} 构成了有能隙最小模型 H(k) = \mathbf{h}(k)\cdot\mathbf{\sigma} 上基态波函数 T^2\to CP(1)
的陈数,它能刻画系统所属的陈类,而这样的分类不依赖任何对称性(除了平移对称性,甚至也可能是弱依赖) ,例如Landau problem和它的格点近似Hofstadter Problem:https://www.zhihu.com/question/321349639/answer/660592580。这样的模型,加上FQH这种边缘理论由拓扑场论刻画的理论[5]——或者可以用“量子纠缠”去定义,被称作有拓扑序的[4] ,更加精细的定义我还没学明白,权当抛砖引玉了。上面的图像只涵盖了凝聚态微小的一部分。近年来,对远离平衡态的、非厄米的凝聚态体系,乃至生物体、和宇宙学的凝聚态处理,都开始蓬勃发展,凝聚态物理可能是最适合年轻人在其中徜徉、探索和创造的领域之一,在凝聚态物理中,我们能够使用最先进的实验技术、最先进的理论技术,同时还能不断反哺实验技术和理论技术。有人说凝聚态可能是最"dirty"的学科,其规律混乱不堪,但是我看到的是,在凝聚态物理中,机遇和挑战并存。所以,最后我想用Weinberg在Four Golden Lessons中说的话来勉励我自己: To go for the messes——that's where the action is.【1】Quantum Physics in One Dimension, 【2】https://chaoli.club/index.php/4288/p1#p46416【3】https://topocondmat.org/w8_general/classification.html,https://arxiv.org/abs/cond-mat/9602137https://arxiv.org/abs/0901.2686【4】https://arxiv.org/pdf/1004.3835.pdf【5】Wen,PRB,1990; Wen, PRL, 1990; Wen, PRL, 1991; }

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凝聚态物理 1. 概况 凝聚态物理学是从微观角度出发,研究由大量粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系的一门学科。凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓。凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相,例如液氦、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广泛更深入的理论体系。特别是八十年代以来,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 理与团簇物理等。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,从事凝聚态研究的人数在物理学家中首屈一指,每年发表的论文数在物理学的各个分支中居领先位置。目前凝聚态物理学正处在枝繁叶茂的兴旺时期。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。近年来凝聚态物理学的研究成果、研究方法和技术日益向相邻学科渗透、扩展,有力的促进了诸如化学、物理、生物物理和地球物理等交叉学科的发展。 2.学科研究范围 研究凝聚态物质的原子之间的结构、电子态结构以及相关的各种物理性质。 研究领域包括固体物理、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、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理(包括薄膜物理、表面与界面物理和高分子物理)、液体物理、微结构物理(包括介观物理:)与原子簇)、缺陷与相变物理、纳米材料和准晶等。 由于凝聚态物理的应用范围很广!!所以前景还是很乐观的! 将来可以做研究员、工程师、技术骨干等等,做什么就要看自己了~ 由于导师不同研究方向也不同,前途也会不一样,填志愿时方向也要选择好,复试前一般还会再次确认所选方向。 出国也是不错的选择,凝聚态出国的不在少数,不过要看个人努力了~
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展开全部凝聚态物理学研究物质的宏观物理性质的学科。所谓“凝聚态”,指的是由大量粒子组成,并且粒子间有很强相互作用的系统。自然界中存在着各种各样的凝聚态物质。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。目前凝聚态物理学面临的主要问题是铁磁态和高温超导体的理论模型。重要研究对象物质的相(物态) 常见的相:固态,液态,气态。低温下的相:玻色-爱因斯坦凝聚态,费米子凝聚态(Fermionic condensate),Luttinger liquid,超流态(Superfluid),超固态(Supersolid),超导态 。相变:序参数(Order parameter)。________________________________________固体晶体非晶态固体合金金属半导体绝缘体反铁磁体铁磁体铁电体spin glass软物质聚合物膜液晶液体复杂流体超流体粒粉体(Granular matter)表面界面
参考资料:
维基百科全书
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