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是否很多人认为凝聚态不是真正的物理?如果是,那是为什么?

2008 年 Marvin L.Cohen 在 prl 上发表了一篇名为《凝聚态物理五十年》的文章,这篇文章能够帮助我们对凝聚态产生一个很好的感观。

凝聚态物理五十年

作者:Marvin L.Cohen

自五十年前《物理评论快报》诞生以来,凝聚态物理学有了长足的发展,这一时期无论是期刊还是领域都蓬勃发展。在这篇文章中,我首先对凝聚态物理进行了一些一般性评论,然后对该领域的概念发展提出了一些个人观点,并列出了一些亮点。重点主要是理论发展。

1956 年因发明晶体管而获得的诺贝尔奖不仅仅意味着设备的发展。它帮助我们开启了一个新时代,在这个时代,我们对使用基础科学和应用科学的材料的理解得到了复兴。1958 年,《物理评论快报》诞生之初,固态 / 凝聚态物理 (CMP) 就开始蓬勃发展,一直持续到今天。这个领域现在是物理学的最大分支,但可以公平地说,它的从业者可以被视为沉默的大多数。媒体对天文学、粒子物理学和生物学的重视远远超过 CMP。强调这一点的部分原因是公众希望了解这一切是如何开始的,原子弹是如何工作的,以及生物是如何运作的。对计算机和设备的极大兴趣确实照亮了某些 CMP 主题,并且时不时地,高温超导或玻色 - 爱因斯坦凝聚等发现确实得到了报道,但任何涉及爱因斯坦的事情都是新闻。

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考虑到在过去的 50 年里,21 项诺贝尔物理学奖授予了在 CMP 和相关领域(如光学和仪器)工作的沉默的大多数人,而4 项诺贝尔化学奖是授予 CMP 学科。这些突破既是基础性的又是应用性的,反映了 CMP 研究人员的观点,即该领域的许多进步确实是基础性的,并且他们领域的应用研究已经改变了社会。

从某种意义上说,物理学是中心科学。几乎所有科学家都需要掌握相当高水平的数学和物理学,而且通常只有当他们的科学可以通过物理原理来解释时,他们才认为它是被理解的。在物理学中,CMP 在这个意义上是核心。许多科学领域都用 CMP 语言表达他们的结果。CMP 也是核心,因为它在能量和尺寸尺度方面处于中间位置。物理学的其他分支肯定影响了所有物理学,但我相信 CMP 具有最强的联系,不仅与物理学的其他分支(特别是原子、分子和光学物理学),而且与其他科学和工程领域。许多人认为纳米物理学是 CMP 的一个分支,有许多 CMP 物理学家与化学家、生物学家、电气和机械工程师、材料科学家和计算机科学家。来自不同学科的纳米科学研究人员对相同的一般尺寸尺度感兴趣,并且大部分关注点与主流 CMP 相似,主要是寻找富勒烯、碳和氮化硼纳米管以及石墨烯等新特性和新材料。

多样性是 CMP 的一个基本特征。当凝聚态物理学家被要求列出他们最重要的问题时,他们通常不会同意。粒子天体物理学界可以,并且有影响力的报告列出了该领域的主要问题,这些问题通常少于 10 个。粒子天体物理学中的一些理论家经常列出类似数量的基本问题需要回答。这些列表挑战了一些聪明的学生,他们受到启发进入该领域尝试回答问题。此类清单还指出需要支持并反过来有助于影响资助机构的需求。虽然这种列表可能很有价值,但我们凝聚态物理学家往往试图模仿这种方法,而不是庆祝我们宝贵的多样性。当然,我们想回答一些重要问题的例子,例如如何实现室温超导性以及铜酸盐超导性的正确理论是什么?但是询问凝聚态物理学家如何为整个领域奠定基础往往会产生分歧,因为该领域很广泛,并且有许多不同的知识支柱为其提供支持。

概念基础

对材料的系统研究至少可以追溯到炼金术士的时代,他们开发了有用的配方并记录了特性,但他们的基本概念——物质是灰色的,带有产生其特性的饰面——是错误的。原子的概念是必不可少的,量子理论的发明最终导致了定量的解释和预测。1929 年,保罗·狄拉克 (Paul Dirac) 的 [ 1] 著名的挑战表明,求解量子理论方程是许多物理学的目标。由于原子和分子的光谱清晰,因此对于原子和分子来说,取得重大进展要容易得多,但很难解释宽广的固态光谱。尽管这个问题花了三十到四十年才解决,但在狄拉克提出挑战后不久,CMP 就取得了其他非常重要的进展。到 1930 年代,有关固体性质(例如金属的电子热容)的主要难题已使用量子力学解决。1933 年,阿诺德·索末菲 (Arnold Sommerfeld) 和汉斯·贝特 (Hans Bethe) 的评论 [ 2] 很好地说明了该领域的现状。它仍然是一个有用的总结,读起来就像今天使用的本科教科书的一部分。固体被视为强相互作用的原子,其电子能级扩展为带。振动、力学和结构特性可以与电子特性一起建模。这些模型通常是简单和通用的 [ 3 ]]。

相互作用的原子模型仍然是我们最有用的结晶固体模型之一。对于固体的许多性质,人们可以将原子核电子视为惰性的,并且可以假设价电子在这些性质中占主导地位,除非能量足够高以激发核电子。价电子有助于形成可以是流动的或部分局部化的负电荷海洋。将此模型与赝势 [ 4 c5 ]等概念结合使用,旨在计算电子 - 核心(核心 = 原子核 + 核心电子)相互作用和密度泛函理论 [ 6 ]] 为了计算价电子 - 电子相互作用,可以解释和预测一大类材料的许多特性。这个模型和我刚刚提到的概念是 CMP 标准模型 [ 5 ] 的一部分。然而,还有另一种互补的方法发挥着重要作用并构成了另一部分。

固体的基本激发模型可以看作是涌现哲学的一个例子。在相互作用的原子模型中,我们得到了粒子(电子和核),由于它们之间的相互作用是电磁的,量子力学是合适的,还原论方法应该足以回答我们所有的问题。相比之下,在基本激发模型中,该方法是使用响应函数(例如热容和介电函数)来解释对探针(例如温度和电磁辐射)的测量响应。粒子可以是虚构的,例如空穴、声子、磁振子等。在某些情况下,它们可以是表现为费米子并类似于“真实”粒子(如电子)的准粒子,或者它们可以是与集体激发(例如声子模式)相关的类玻色子粒子。有一些基本激发不属于这两组,但对于大多数应用,准粒子和集体激发构成了使用这种方法的基础。我们的知识都来自对探测器的反应这一事实回避了与基本激发相关的粒子是否也是真实的问题。如果有人认为现实是对我们所感知事物的描述,并且我们可以使用基本激发非常精确地描述我们所感知的事物,那么这些“粒子”可能被视为真实的。这样的论点提出了恩斯特·马赫、阿尔伯特·爱因斯坦、亨利·柏格森等人讨论过的关于现实的问题。重要的一点是我们的现代观点融合了相互作用的原子模型和 CMP 的基本激发模型,

由于理论通常关注我们不能用我们的概念、模型和方法做的事情,因此 CMP 中相当多的注意力都集中在可能不符合上述范式的系统上。例如,非晶系统和具有强关联电子系统,以至于通常的近自由电子方法不合适?在一些经典情况下,电子被认为是弱耦合的,可以使用费米自由电子气图景。这种方法在解释材料特性方面取得了巨大成功,特别是对于简单金属。同样,即使对于电子相互作用更强的所谓相关系统等更复杂的情况,基于 Lev Landau 的费米液体理论的基本激发模型也适用 [ 7]]。该理论允许将电子激发与类似于自由电子的弱耦合电子态相关联,但它们的特性(例如有效质量)发生了一些变化,以解释一些相互作用。对于强相互作用,预计朗道图将是不够的。一个例子是低密度电子气的 Wigner 结晶。此外,对于无序系统,当无序强度增加时,可能会出现安德森局域[ 8 ]。即使在朗道理论起作用的情况下,当晶格振动、磁效应、局部排斥等外力作用于电子时,也会出现许多新特征。一个例子是 Cooper 对的形成 [ 9] 这导致了超导的 BCS 理论 [ 10 ]。BCS 理论是为 CMP 开发的概念的一个例子,用于解释其他领域的现象,例如核结构。

因此,从概念上讲,有很多涉及不同哲学的范式可以在 CMP 中进行测试,我们对这些概念的适用性和局限性的理解也在不断发展。从这个角度来看,该领域是新鲜的,应该继续吸引希望取得新进展和突破的年轻研究人员。

一些亮点

在过去的 50 年中,新的理论方法和实验仪器对 CMP 的发展做出了重大贡献。理论家们借用了为相对论量子电动力学开发的量子场论方法,并将它们转化为应用于非相对论多体问题的技术。具有基于赝势和密度泛函理论等概念的物理模型的现代计算机使凝聚态物理学家能够高精度地探索真实材料的特性 [ 11]]。将化合物的原子序数、原子质量和可能的晶体结构输入计算机代码以预测材料特性的梦想已成为许多每个晶胞具有多个原子的系统的现实。随着计算机变得越来越强大,每个胞可以分析的不同原子的数量将会增加。这将允许考虑更复杂的系统。 在实验方面,仪器的发展是巨大的。光学领域的梦想仪器是一个发射电磁辐射的盒子,带有两个刻度盘——一个是强度,一个是频率。使用激光和同步加速器,现在可以以可变强度产生覆盖大部分电磁波谱的辐射,并且在某些光谱范围内,辐射可以是相干的。使用电子和 X 射线作为探针,可以看到原子,并在对 CMP 和生物学产生重要影响的规模上提供结构信息。

正如我之前提到的,人们可以争辩说,衡量过去 50 年 CMP 影响的一个指标是该领域获得诺贝尔奖的许多进步。下面列表中的分组不是学术研究的结果,许多人会以与我不同的方式来描述这些奖项。我也可以为重要的 CMP 研究列出其他奖项。或者我可以做一个引文研究。然而,在这里列出诺贝尔奖获奖研究的目的是为了展示凝聚态物理学的活力和成功的一种衡量标准。它还给出了许多亮点的合理列表,并在某种程度上展示了该领域特有的实验和理论之间的密切相互作用。

与仪器开发相关的诺贝尔奖的一些例子是基于激光 / 微波激射原理的技术和光学方法的进一步发展(1964、1971、1981、1997、2005)。另一个是隧道电子显微镜(1986)。与晶体管一样,与器件应用相关的广泛发展也得到了认可(1973、2000、2007)。超导和量子霍尔效应的实验和理论进展获得了六项诺贝尔奖(1972、1973、1985、1987、1998、2003)的广泛关注。一些低温量子现象,例如氦的性质和玻色 - 爱因斯坦凝聚,为理论家和实验家带来了诺贝尔奖(1962、1996、2001、2003)。理论家有时与做出发现的实验家一起被认可 (1998) [ 12] ,有时仅授予理论奖(1962, 1972, 1977, 1982, 1991, 2003; chemistry 1968, 1998)。新材料也推动了 CMP,这些发现得到了认可 (1987, 2007; chemistry 1996, 2000)。

我刚刚讨论的发现、发明和其他成就是在大学、工业实验室和政府资助的实验室中完成的。近年来工业领域的衰落体现在贝尔实验室的凝聚态研究减少,该实验室以前是 CMP 应用和基础研究的麦加。今天,大学似乎占据了大部分的活动,这种情况带来了一些财政困难,因为 CMP 需要的支持比过去更多。仪器很昂贵,虽然不是大型加速器的水平,但如果年轻的研究人员要成功竞争,他们需要最先进的设备。此外,许多理论家需要大量的计算机预算。虽然增加资金的理由是使用与未来申请有关的论据,

结论

在这个多样化的领域中对未来 50 年做出明智的预测比在许多其他领域更难。实验引领了潮流,但在某些情况下,即使是现在,理论建模也可以取代实验研究。我希望该理论将产生与观察到的现象相关的更好的物理模型。也许理论将在寻找新现象(例如物质的新状态)方面发挥更大的作用,但与所有物理学一样,决定将继续由实验做出。可能与其他领域有更多联系。例如,量子计算的研究让 CMP 研究人员参与了与量子信息相关的更广泛问题。在应用方面,CMP 的发展表明下一代工程师需要学习更多的量子力学。人们对光伏和其他系统的兴趣也越来越大,以增强能量转换和存储。因此,不乏基础和应用问题来挑战我们。

有强有力的论据支持 CMP 具有活力和“腿”的说法。该领域强劲而广阔,并且没有放缓的迹象。我当然是乐观的,每当发现新的有趣的材料或特性时,我的乐观情绪就会增加。

总而言之,虽然晶体管是一个很难遵循的行为,但我相信 CMP 能够胜任这项任务,PRL 在其发展中发挥了重要作用。就个人而言,我受过培训,可以做我能做的最好的研究,并尝试“获得 PRL”来宣布我所做的事情。我作为研究生的第二篇论文是 PRL,我记得我非常自豪。虽然从那以后我有幸发表了大约 100 篇 PRL,但当我收到录取通知时,兴奋仍然存在。我相信大多数物理学家都有同样的感觉。

参考文献

  1. P. A. M. Dirac, Proc. R. Soc. A 123, 714 (1929).
  2. A. Sommerfeld and H. Bethe, in Handbuch der Physik Vol. 24, Pt. 2 (Springer, Berlin, 1933), Chap. 3.
  3. M. L. Cohen, Phys. Today 59, No. 6, 48 (2006).
  4. E. Fermi, Nuovo Cimento 11, 157 (1934).
  5. M. L. Cohen, Conceptual Foundations of Materials: A Standard Model for Ground- and Excited-State Properties, edited by S. G. Louie and M. L. Cohen (Elsevier, Amsterdam, 2006), p. 1.
  6. W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965).
  7. L. D. Landau, Sov. Phys. JETP 3, 920 (1956); L. D. Landau, Sov. Phys. JETP5, 101 (1957); L. D. Landau, Sov. Phys. JETP 8, 70 (1959).
  8. P. W. Anderson, Phys. Rev. 109, 1492 (1958).
  9. L. N. Cooper, Phys. Rev. 104, 1189 (1956).
  10. J. Bardeen, L. Cooper, and J. R. Schrieffer, Phys. Rev. 106, 162 (1957).
  11. M. L. Cohen, Phys. Scr. T1, 5 (1982).
  12. R. B. Laughlin, Phys. Rev. Lett. 50, 1395 (1983).

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