凝聚态物理寻找自然美学中的真谛

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1、໾৘࿐થซ2014－07－21收到ୠऊ෿໾৘ğ࿙ᅳሱಖૅ࿐ᇏᆇፂ†email：hqluo@iphy.ac.cnDOI：10.7693/wl20140807罗会仟†(中国科学院物理研究所北京100190)如果你在校园里遇到一群学儿也不假。为观止的，自然的规律更是不断诱物理的研究生，问他们所学专业既然是研究自然界中的常见物发人类的好奇心。比如，如果问到是什么？其中十有八九你会得到同质材料，那么凝聚态物理必定大有翩翩起舞的蝴蝶翅膀、婀娜多姿的一个答案——凝聚态物理学。是用武之地。我们的日常生活和工业人类身体和宏伟壮观的故宫建筑有的，凝聚态物理学作为现代物理生产都离不开各种材料的应用，比什么共同之处？

2、学凝聚态物理的同研究中最大的分支，据保守估计，世如我们穿的衣服，棉毛质的因为隔学一定能告诉你答案——那就是对界上有八成以上的物理学家都来热好而具有保暖性质，亚麻和涤纶称性。对称本身就是一种美，如果自此研究领域，作为科学家们助手等则因透气性好而显得清凉，而步某人仅有一只眼睛或者一只耳朵，的研究生，也一样有如此庞大的入信息时代的现代社会，电脑里面就一定显得怪异非常，就像电影队伍。大部分是半导体材料做成究竟什么是凝聚态？我们熟知的电子元器件，液晶和传统物理将物体分为三态：气态、LED显示器更是各种材料液态和固态。其中气态中分子间距的杰作。在一些特殊场比较大(约为分子直径的10到100倍)，合，比如航

3、空航天领域，以致于它们之间的电磁相互作用力就需要一些耐高温且延展非常微弱，比如理想气体中分子间性好的金属合金材料。而就不存在相互作用。然而液态和固凝聚态物理，实际上就是态就不同了，它们的分子间距很在不断探索和寻找具有新小，有的甚至是紧密排列在一起奇物性的材料，并不断发的，这导致分子/原子之间是紧紧抱掘这些新材料的物理特团在一起，把它们分开需要付出一性，一方面从基本物理原定的能量——这就是凝聚的力量！理上来解释这些性质的物图1凝聚态世界的对称之美——冰晶实际上凝聚态不仅仅包括液态和固理起源，为寻找更多的材态，也包括介于两者之间的状态，料提供理论指导，另一方如液晶、玻璃、溶胶等状态，对于面则试图在

4、原型器件上将分子间距较小的稠密气体也属于凝这些材料的特性加以应聚态的范畴。毫无疑问，人类生活用，为人类生活编织更美世界里绝大部分物质都属于凝聚好的未来。态。如果说物理研究的是“万物之凝聚态物理的好玩之理”，那么凝聚态的研究对象就是处就在于，在不断探索新“九千物之理”了。研究对象如此包材料、发现新物性、揭示罗万象，研究的科学问题也意味着新机理、试图新应用的过纷繁复杂，研究队伍也就随之庞大程中，领会大自然中最为图2微观尺度上的原子规则排列——石墨烯(取起来。因此，做物理研究的绝大部原始的奥秘——自然之自网站http://www.morsh.cn/newsDetail.asp?id=75)分都是做凝

5、聚态物理的，这话一点美。自然之美总是令人叹·43ज(2014୍)8௹c555c໾৘࿐થซ各样的形状，虽然它们绝电子的各种“凝聚状态”，主要关大部分都是整体上为六角注电荷、自旋和轨道三个自由度。形，但是细节上却各有不在一些半导体多层膜的界面处，存同。正如一句名言道：“世在一种稀薄的二维电子气(即电子之界上不存在两片完全相同间的相互作用很弱，近似为自由电的树叶”，即便是一个貌似子)，这种电子气具有很高的迁移高度对称的六角冰晶，它率，在极低温和强磁场情况下会出也总是在某些地方并不是现整数量子霍尔效应和分数量子霍那么完美对称的(见图1)！尔效应等奇异的量子物理特性(见图对称度的降低在凝聚态物4)，是未

6、来电子器件可能应用方向理中叫做对称破缺，正是之一。在金属材料中，某些情况下图3磁场下自旋冰材料中的磁单极子和反磁单这种对称破缺给我们生活也可以近似把其中的巡游电子(即跑极子(取自NaturePhysics，2014，10：88)的世界带来了多样性，男得最快的那些电子们)当做自由电子孩的发型有时偏分可能比来处理，这样就大致能解释金属材中分更帅气，而女孩若在料的热容等物理特性。实际上，金一只手上戴上手镯也许更属中的电子间总是存在相互作用添标致。在凝聚态物质的，如果它们之间的库仑相互作用中，对称性的破缺意味着较弱，就可以近似看作电子液体，一种新有序态的产生，对正是电子液体的本征物性导致材料应一种相变

7、。如水结成整体的力、热、光、电等物理性冰，水分子就是从一种相质。如果电子之间的相互作用进一对无序的状态形成了有序步加强，在凝聚态物理中称之为强的排列。我们常见的白关联体系，该领域是物理学研究的图4分数量子霍尔效应中的Laughlin态(由T.Ko-糖、食盐乃至钻石都具有前沿之一，至今尚无成熟的理论体vacs和T.Duff提供，取自网站http://physics.bnu.一定的规则几何外形，这系。