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如果你在校園里遇到一群學(xué)物理的研究生，問他們所學(xué)專業(yè)是什么？其中十有八九你會得到同一個答案—— 凝聚態(tài)物理學(xué)。是的，凝聚態(tài)物理學(xué)作為現(xiàn)代物理研究中最大的分支，據(jù)保守估計，世界上有八成以上的物理學(xué)家都來自此研究領(lǐng)域，作為科學(xué)家們助手的研究生，也一樣有如此龐大的隊伍。 究竟什么是凝聚態(tài)？我們熟知傳統(tǒng)物理將物體分為三態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。其中氣態(tài)中分子間距比較大(約為分子直徑的10到100倍)，以致于它們之間的電磁相互作用力非常微弱，比如理想氣體中分子間就不存在相互作用。然而液態(tài)和固態(tài)就不同了，它們的分子間距很小，有的甚至是緊密排列在一起的，這導(dǎo)致分子/原子之間是緊緊抱團(tuán)在一起，把它們分開需要付出一定的能量——這就是凝聚的力量！實際上凝聚態(tài)不僅僅包括液態(tài)和固態(tài)，也包括介于兩者之間的狀態(tài)，如液晶、玻璃、溶膠等狀態(tài)，對于分子間距較小的稠密氣體也屬于凝聚態(tài)的范疇。毫無疑問，人類生活世界里絕大部分物質(zhì)都屬于凝聚態(tài)。如果說物理研究的是“萬物之理”，那么凝聚態(tài)的研究對象就是“九千物之理”了。研究對象如此包羅萬象，研究的科學(xué)問題也意味著紛繁復(fù)雜，研究隊伍也就隨之龐大起來。因此，做物理研究的絕大部分都是做凝聚態(tài)物理的，這話一點兒也不假。 既然是研究自然界中的常見物質(zhì)材料，那么凝聚態(tài)物理必定大有用武之地。我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)都離不開各種材料的應(yīng)用，比如我們穿的衣服，棉毛質(zhì)的因為隔熱好而具有保暖性質(zhì)，亞麻和滌綸等則因透氣性好而顯得清涼，而步入信息時代的現(xiàn)代社會，電腦里面大部分是半導(dǎo)體材料做成的電子元器件， 液晶和LED顯示器更是各種材料的杰作。在一些特殊場合，比如航空航天領(lǐng)域，就需要一些耐高溫且延展性好的金屬合金材料。而凝聚態(tài)物理，實際上就是在不斷探索和尋找具有新奇物性的材料，并不斷發(fā)掘這些新材料的物理特性，一方面從基本物理原理上來解釋這些性質(zhì)的物理起源，為尋找更多的材料提供理論指導(dǎo)，另一方面則試圖在原型器件上將這些材料的特性加以應(yīng)用，為人類生活編織更美好的未來。 凝聚態(tài)物理的好玩之處就在于，在不斷探索新材料、發(fā)現(xiàn)新物性、揭示新機(jī)理、試圖新應(yīng)用的過程中，領(lǐng)會大自然中最為原始的奧秘—— 自然之美。自然之美總是令人嘆為觀止的，自然的規(guī)律更是不斷誘發(fā)人類的好奇心。比如，如果問到翩翩起舞的蝴蝶翅膀、婀娜多姿的人類身體和宏偉壯觀的故宮建筑有什么共同之處？學(xué)凝聚態(tài)物理的同學(xué)一定能告訴你答案——那就是對稱性。對稱本身就是一種美，如果某人僅有一只眼睛或者一只耳朵，就一定顯得怪異非常，就像電影《怪物公司》里面的各種怪物一樣。有趣的是，自然在追求對稱之美的同時也存在不對稱之美。因為氫鍵的存在導(dǎo)致雪花冰晶有著各種各樣的形狀，雖然它們絕大部分都是整體上為六角形，但是細(xì)節(jié)上卻各有不同。正如一句名言道：“世界上不存在兩片完全相同的樹葉”，即便是一個貌似高度對稱的六角冰晶，它也總是在某些地方并不是那么完美對稱的(見圖1)！對稱度的降低在凝聚態(tài)物理中叫做對稱破缺，正是這種對稱破缺給我們生活的世界帶來了多樣性，男孩的發(fā)型有時偏分可能比中分更帥氣，而女孩若在一只手上戴上手鐲也許更添標(biāo)致。在凝聚態(tài)物質(zhì)中，對稱性的破缺意味著一種新有序態(tài)的產(chǎn)生，對應(yīng)一種相變。如水結(jié)成冰，水分子就是從一種相對無序的狀態(tài)形成了有序的排列。我們常見的白糖、食鹽乃至鉆石都具有一定的規(guī)則幾何外形，這正是因為其內(nèi)部原子存在規(guī)則有序排列所致( 見圖2)。如果加熱到熔點以上，這些具有規(guī)則外形的晶體就會熔化，恢復(fù)到對稱性更高的液體，進(jìn)一步加熱液體將會汽化成離散的氣體。同樣，固體材料中的磁矩/自旋也會因為相互作用而形成規(guī)則排列結(jié)構(gòu)， 組合成鐵磁、反鐵磁、順磁、螺旋磁等各種紛繁的磁性結(jié)構(gòu)推薦：www.bdmszx.com