如果你在校园里遇到一群学物理的研究生，问他们所学专业是什么？其中十有八九你会得到同一个答案——凝聚态物理学。是的，凝聚态物理学作为现代物理研究中最大的分支，据保守估计，世界上有80%以上的物理学家都来自此研究领域，作为科学家们助手的研究生，也一样有如此庞大的队伍。

凝聚态究竟是什么东东？

我们熟知传统物理将物体分为三态：气态、液态和固态。其中气态中分子间距比较大（约为分子直径的1000倍），以至于他们之间的电磁相互作用力非常微弱，比如理想气体中分子间就不存在相互作用。然而液态和固态就不同了，他们之间分子间距很小，有的甚至是紧密排列在一起的，这导致分子/原子之间是紧紧抱团在一起，把它们分开需要付出一定的能量——这就是凝聚的力量！实际上凝聚态不仅仅包括液态和固态，也包括介于两者之间的状态——如液晶、 玻璃、溶胶等状态，对于分子间距较小的稠密气体也属于凝聚态的范畴。毫无疑问，自然界的绝大部分物质都属于凝聚态。

如果说物理研究的是“万物之理”，那么 凝聚态研究对象就是“九千物之理”了。研究对象如此包罗万象，研究的科学问题也意味着纷繁复杂，研究队伍也就随之庞大起来。因此，搞物理研究的绝大部分都是做凝聚态物理的，这话一点儿也不假。

既然是研究自然界中的常见物质材料，那么凝聚态物理必定大有用武之地。我们的日常生活和工业生产都离不开各种材料的应用，比如我们穿的衣服，棉毛质的因为隔热好而具有保暖性质，亚麻和涤纶等则因透气性好而显得清凉，而步入信息时代的现代社会，电脑里面大部分是半导体材料做成的电子元器件，液晶和LED显示器更是各种材料的杰作。

在一些特殊场合，比如航空航天领域，就需要一些耐高温且延展性好的金属合金材料。而凝聚态物理，实际上就是在不断探索和寻找具有新奇物性的材料，并不断发掘这些新材料的物理特性，一方面从基本物理原理上来解释这些性质的物理起源，为寻找更多的材料提供理论指导，另一方面则试图在原型器件上将这些材料的特性加以应用，为人类生活编织更美好的未来。

凝聚态物理的好玩之处就在于，在不断探索新材料、发现新物性、揭示新机理、试图新应用的过程中，领会大自然中最为原始的奥秘——自然之美。

自然之美总是令人叹为观止的，自然的规律更是不断诱发人类的好奇心。比如如果问到翩翩起舞的蝴蝶翅膀、婀娜多姿的人类身体和宏伟壮观的故宫建筑有什么共同之处？那么学凝聚态物理的同学一定能告诉你答案——那就是对称性。

对称本身就是一种美，如果某人只有一只眼睛或者一只耳朵，就一定显得怪异非常，就像电影《怪物公司》里面的各种怪物一样。有趣的是，自然在追求对称之美的也同时存在不对称之美。因为氢键的存在导致雪花冰晶有着各种各样的形状，虽然他们绝大部分都是整体上为六角形，但是细节上却各有不同。正如一句名言道：“世界上不存在两片完全相同的树叶”，即便是只看一个貌似高度对称的六角冰晶，它也总是在某些地方并不是那么完美对称的！

对称度的降低在凝聚态物理中叫做对称破缺，正是这种对称破缺给我们生活的世界带来了多样性，男孩的发型有时偏分可能比中分更帅气，而女孩若 在一只手上戴上手镯也许更添标致。在凝聚态物质中，对称性的破缺意味着一种新的有序态产生，对应一种相变。如水结成冰，水分子就是从一种相对无序的状态形成了有序的排列。我们常见的白糖、食盐乃至钻石都具有一定的规则几何外形，这正是因为其内部原子存在规则有序排列所致。如果加热到熔点以上，这些具有规则外形的晶体就会熔化，恢复到对称性更高的液体，进一步加热液体将会汽化成离散的气体。类似地，如果我们只关注固体材料中的电子，那其实它们也存在类似的气、液、固等状态。

在一些半导体多层膜的界面处，存在一种稀薄的二维电子气（即电子之间的相互作用很弱，近似为自由电子），这种电子气具有很高的迁移率， 在极低温和强磁场情况下会出现整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应等奇异的量子物理特性，是未来电子器件可能应用方向之一。

在金属材料中，某些情况下也可以近似把其中巡游电子（即跑的最快的那些电子们）当做自由电子来处理，这样就大致能解释金属材料的热容等物理特性。实际上，金属中电子总是存在相互作用 的，如果它们之间的库仑相互作用较弱，就可以近似看做电子液体，正是电子液体的本征物性导致材料整体的力、热、光、电等物理性质。

如果电子之间的相互作用 进一步加强，在凝聚态物理中称之为强关联体系，该领域是物理学研究的前沿之一，至今尚无成熟的理论体系。至于电子能否像原子那样形成规则排列的电子固体， 则有待科学的进一步探索和研究。在凝聚态物理中，电子态的对称性破缺会产生一系列有趣的物理现象，例如：电子依靠中间媒介两两配对后可以凝聚成具有零电阻 的超导态；电子自旋磁矩取向一致的时候可以形成磁性很强的铁磁态；相邻电子聚拢在一起可以形成电荷密度波态等等。理论物理学家告诉我们，一种对称性的存在必然对应着一种守恒律，反之一种守恒律也必然对应一种对称性。在当今凝聚态物理前沿研究中有种材料叫拓扑绝缘体，其内部的电子在能量-动量分部上受到时间反演对称性的保护，因此存在类似粒子物理学中的宇称守恒，尽管在材料内部是绝缘体，但是在材料表面却是稳定存在的金属性质。此前，中国科学家在该材料上观测到了量子反常霍尔效应，如果应用到未来电子器件，很有可能会出现翻天覆地的新一代信息革命。

至此，你估计大致了解凝聚态物理学的研究内容：在原子尺度下，研究凝聚状态下材料中的分子/原子/电 子分布排列方式和相互作用模式，从而理解材料整体的力、热、光、电、磁等物理特性。

也许你会疑惑，在现代物理学大厦中，自然界的四种基本相互作用和基本粒子的标准模型都已经完成，也就是说，我们对原子的个体或电子的个体已经了解很透彻了，为什么还需要费老大劲去理解一堆原子组成的凝聚体呢？这恰恰是凝聚态物理的核心观念所在，因为微观粒子遵从的量子力学和宏观物体遵从的经典物理大有区别，在这里1+1往往是大于2的，而2-1也未必等于1。

事实上，我们知道凝聚态物质里含有的原子数目在1023（即 阿伏伽德罗常数）量级，而这些原子可是存在相互作用的，其中的电子亦是如此，不仅电子和原子核存在相互作用，电子和电子之间也存在相互作用。正所谓“多了就是不一样”，如此之多的微观粒子在一起可不是吃素的，它们之间复杂的相互作用会导致各种各样新奇的物理现象，而不是每个原子简单的累加。

例如许多蛋白质大分子在原子含量甚至是原子排布上都是大同小异的，但是它们的折叠方式不同会导致整个分子的生物功能完全不同。另一方面，如果我们反其道而行之，假如把三维材料限制成近二维（比如薄膜或单原子层材料）、一维甚至零维，也会得到令人神奇的效果，比如单层的石墨原子材料叫做石墨烯，非常坚硬和牢固，且传导电子 非常快，性能上已经大大优于石墨。或者我们可以将这一大堆原子分成一小撮一小撮的原子团簇，那么它们体现的物理性质又将标新立异。我们的自然界神奇吧？凝聚态物理学正是专门为你揭示这些自然美学真谛的一门学科。

了解凝聚态物理学是做啥的之后，让我们来看看怎么做凝聚态物理的研究吧。

怎么做凝聚态物理的研究

凝聚态物理大致也分为理论计算和实验研究两大块。

理论计算就是从原子层面上去分析凝聚物质中原子/电子之间的相互作用，利用量子力学的基本原理去推演其可能出现的微观状态。从数学角度严格来说，凡是大于等于三个物体组成的相互作用系统是有无数不确定解的，要知道，我们凝聚态物质要处理的系统可是1023之多的个体！好在物理学家不会太死脑筋，他们聪明地利用了这种材料本身的对称性——大部分情况下原子实际上是存在规则排列结构的，以及解决问题的关键因素 ——影响其某种物理特性的起因只有少数几种相互作用有效，加之引入其他近似方法，利用现代先进的计算机组，物理学家们就可以模拟计算出材料的各种物理特性了。

物理学的基石在于实验，任何理论都需要经受实验的反复验证才能最终被人们所接受，因此，凝聚态物理学更多的是需要做大量的实验研究。这些实验研究无非是从宏观上研究凝聚物质的力、热、光、电、磁等物理特性，以及从微观上研究其原子排布、电子能量和动量分布以及它们之间的相互作用等。话虽说起来简单，但实际做起来绝对不像过家家那么轻松。

在凝聚态物理实验研究中，首先第一步需要获得可做实验的样品。样品的质量会直接决定你实验的成败，而能否得到好的样品 在于不断地重复和探索。当年爱迪生寻找了一千多种材料才找到合适的白炽灯丝，可以毫不夸张地说，这只是在凝聚态物理实验样品制备过程中一个司空见惯的例子而已。许多时候，制备样品所需要的知识仅仅是中学物理和化学就够了，而更需要的是反复尝试和无数重复的简单体力劳动，经历无数次失败之后才能拨云见日，在偶然一次取得小小成功，然后才有希望取得更大的成功。制备这些样品往往需要一些特殊作用的炉子或者镀膜机之类的设备，所以做样品的人往往被叫做“锅炉 工”、“炒菜师傅”、“炼丹术士”之类的，因为他们的主要任务就是把各种原材料通过物理和化学过程转变为实验所需要的样品。

有了样品之后，你将需要一台很好的精密仪器，仪器的分辨率、稳定度、工作效率等性能越高就意味着实验的成功就越有希望，很多时候在前沿科学研究中，因为市场太小或造价太贵等因素，商业化的仪器并不存在，因此好的测量仪器往往需要你亲自搭建起来，这不仅仅需要用到物理学知识，还需要大量关于机械设计和加工、电路设计和搭建、信号采取和微 机通讯等多方面的工科知识，真的是需要“八仙过海各显神通”。

有了样品和仪器，下一步你需要设计一个精巧的实验，以让你的实验结果能够反映理论的预言或设想，执行实验过程是比较枯燥和单调的，但绝不能失去细心和耐心，而且最终实验结果需要能够得以重复，并能确认所采集数据不是来自其他干扰因素，这需要经验也需要判断。实验结果是否可靠在于实验过程是否准确无误，要不然会贻笑大方甚至误导别人，记得中微子超光速的实验错误就在于其中一个负责信号通讯的优盘没有插好！

好了，有了实验数据结果，下一步就是数据分析和理论解释了，我们需要剔除实验数据中不相关因素，提取其中能反映物理本质的内容，和理论预言进行对比，寻找合适的理论解释。至此，我们才从实验和理论的两个不同角度得到了凝聚态物质特性的本质认识。

在中国哪里可以从事凝聚态物理学研究？

中国的很多高校和科研院所都设有凝聚态物理学专业，几乎任何一个综合性大学都会有该专业。在研究所中，坐落在中关村的北京凝聚态物理国家实验室是凝聚态物理学的代表性研究基地，它囊括了超导、磁学、表面科学、光学、先进材料、极端条件物理、纳米科学、软物质、固态量 子信息和凝聚态理论与计算等研究领域，学科范围从凝聚态物理学延伸至材料科学、能源科学、信息科学以及生物科学等。

在高校中，北京大学、南京大学、中国科 大、浙江大学、复旦大学、吉林大学、清华大学、北京师大、人民大学、山东大学、香港科大等许多高校物理系都具有相当不错的实力且各具特色。

中国的凝聚态物理研究在诸多老一辈科学家的奠基、一大批中年科研主力的极力推进和众多青年科学工作者的热情投入中，正在不断蓬勃发展。近些年来，在高温超导、拓扑绝缘体等诸多领域的研究，已经完全达到世界一流水平，一些研究工作甚至引领了基础科研的潮流。用美国著名学术期刊《科学》评价的一句话来说，就是这些研究“将中国凝聚态物理学家推向了世界最前沿”。我们完全有理由相信，未来中国物理研究的世界级学术明星们中，必然大部分来自凝聚态物理学，也许其中一位就是你自己！

作者：罗会仟老师，授权发布，链接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-22926-805947.html

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