中國當代物理學進展: 凝聚態物理學

　　中國科學院建立以後，組建了以固體物理為主要研究方向的應用物理研究所，他們和一些高等院校一起，推動了晶體學、低溫技術、磁學、固體強度與范性學的研究工作的發展。1958年，在新建的中國科學技術大學內設置了以凝聚態物理為專業的技術物理系。1977年中國科學院召開的新學科規劃會議上，把表面物理、非晶態物理、固體缺陷、相變和高臨界溫度超導體確定為凝聚態物理的發展重點。這一時期，在北京、上海、昆明、長春、合肥等地建立了相應的研究機構。各地的高等院校也取得了一些重要研究成果。到1990年，中國的凝聚態物理研究的分支學科，已發展成為包括晶體學、晶體生長、磁學、半導體物理、電介質、非晶態物理、表面物理、低溫物理、高壓物理、固體缺陷、內耗以及固體離子學等十多個分支的大領域；研究機構已發展到十多個研究所和高校研究室，研究人員已達兩千多人。

　　(1)固體理論

　　晶體中發生電子躍遷時，常常會伴隨着發生晶格能量的改變，表現為晶體中電子躍遷的光吸收和光發射具有複雜的與溫度有關的譜線形狀。這個問題對認識晶體的光學和光電性質、認識晶體中激發出來的載流子的運動和壽命等都有重要意義。1950年，黃昆和里斯（A．Rhys）在“F心的光吸收和非輻射躍遷的理論”中首次對這個問題給出了完整的理論處理。他們把圍繞F心的晶格原子的平衡位移位形用晶格振動的正則坐標來展開，躍遷前後的平衡位移位形的變化便表現為晶格振動能量的變化。這樣便清楚地得到了電子躍遷時同時會發射或吸收一個或多個晶格振動量子-聲子的物理圖象，得到了複雜的譜線形狀以及它對溫度的依賴關係的物理本質。國際物理學界公認這一理論的開拓意義，並把它稱為“黃-里斯理論”，對以後發展起來的“極化子”理論的形成有重要影響。從1980年到1985年，黃昆和他的學生比較嚴格地分析了這類理論處理的基礎——把電子運動和晶格運動分開處理的所謂絕熱近似，提出一個有多個不同頻率的聲子模式參加的多聲子複合過程的理論模型和計算這個模型的理論方法。

　　1950年，黃昆綜合介質的電磁理論和晶格動力學理論對極性晶體提出了一對唯象方程。它提供了處理極性晶體光學振動的基礎，被稱為“黃方程”。1951年黃昆從黃方程出發，又推導出晶體中的聲子與電磁波的耦合振盪模式。他所預見的聲子與電磁波的耦合振動模式於1963年首先被半導體磷化鎵的Ra-man散射實驗所證實，被命名為極化激元。後來發現其他物質振動也有類似的與電磁波的耦合模式，也被稱為極化激元。現在極化激元成為分析固體光學性質的基礎，黃昆的工作在國際上被看作是極化激元領域的里程碑式的工作。70年代後期和80年代初期，黃昆探討了多聲子複合理論中絕熱近似是否失效的問題和無輻射躍遷的絕熱近似及靜態耦合理論，指出康登（Condon）近似實際上包含有微擾處理上的錯誤，並提出了選擇非康登近似波函數的理論判據。在此基礎上，他證明了在晶格弛豫只限於電子-聲子相互作用的對角部分以及非對角部分只限於一級微擾處理的範圍內，絕熱近似和靜態耦合理論是完全等價的。這一結論，從理論上肯定和統一了無輻射躍遷理論的主要成果，並對其後無輻射躍遷幾率的實際計算工作具有重大的指導意義。1982年，黃昆等又把多聲子躍遷理論中廣泛採用的單頻模型推廣為多頻模型，提出了聲子模型統計分布，揭示了多聲子理論的一個新的方面，闡明在多聲子躍遷中發射了哪些聲子。1983年，他又對多頻模型中最陡下降法的理論基礎做進一步探討，證明了當聲子數足夠多時，由最陡下降法得到的躍遷幾率與由嚴格理論得到的結果是一致的。

　　80年代，中科院理論物理所於潯、蘇肇冰等對電子-晶格畸變高度非線性耦合的躍遷過程進行了系統的研究，在黃-里斯理論的基礎上，提出了一個多電子系統局域型非線性元激發的量子躍遷理論，給出了局域型非線性元激發輻射躍遷和無輻射躍遷量子躍遷幾率的普遍表達式。在上述理論框架內，對於Trans-聚乙炔引入了空間反演算符和電荷共軛算符，求得了系統哈密頓量，系統地導出了這種局域型元激發在輻射躍遷和無輻射躍遷過程中必須遵守的一些選擇定則，並解釋了實驗上觀察到的Trans-聚乙炔系統光生中性孤立子對被禁戒的現象。在雙極化子模型的基礎上，應用上述理論到Cis-聚乙炔的共振Raman譜上，理論計算與實驗結果基本相符。

　　(2)晶體學

　　晶體學是研究晶體中的原子（或離子）排列的結構形態以及結構形態變化規律的學科。50年代以來，中國物理工作者運用X射線、電子、中子等衍射和散射手段研究單晶和多晶的晶體結構，取得了多種結果。

　　中華人民共和國成立初期，中國的X射線衍射研究，只有應用物理所陸學善等在合金的粉末衍射分析方面有過一些工作。不久，劉益煥開展了合金加工和熱處理後結構、結構變化以及休姆-羅塞萊（Hume-Rothery）電子化合物中的有序無序相變及超結構的研究。吳乾章利用X射線多晶衍射物相分析方法，對耐火材料的耐用性進行研究。他們這些工作，對中國的X射線衍射分析研究起到了奠基作用。在建立和發展X射線多晶衍射的技術和方法方面，物理所、上海硅酸鹽所、化學所研製了精密型德拜-謝樂（Debye-Scherrer）照相機以及紀尼葉（Guinier）單色聚焦照相機和單色器。他們使用大直徑德拜-謝樂照相機，通過修正偏心與吸收流移常數的方法，使測量晶體點陣常數的精確度達到五十萬分之一，屬於當時世界先進水平。同時，他們還推導出適用於低對稱性的聯立方程組來求解點陣常數；提出了適用於四方、六角、正交、單斜晶系的X射線粉末衍射圖譜指標化的一種新圖解法。陸學善和章綜在利用X射線粉末衍射技術研究金屬合金體系的有關晶體結構和超結構的工作中，發現了合金相中一類以氯化銫型為基本結構單位，空位做有序分布而形成的超結構相，指出決定其結構的主要因素是基本結構單位內所含的平均價電子數。這其中，最突出的成果是發現鋁-銅-鎳三元素的τ相內存在着8種結構。這8種結構都是以氯化銫型為基本結構單位，經畸變和空位沿六角晶系的z軸做有序分布而形成的10～17層的屬於不同結構類型的超結構。用X射線衍射法對物質多型性進行的研究也曾取得良好成績。上海硅酸鹽所郭常霖等發現84種碳化硅新多型體，占到世界上所發現的150多種多型體的一半以上。他們還測定過10多個屬於特殊結構系列的新多型體的晶體結構。物理所在對碘酸鋰的相變研究中，發現碘酸鋰相變過程存在着一系列中間相。這些工作，使人們對重建型相變有新的認識。物理所用多晶粉末衍射的方法測定過一系列金屬間化合物和無機鹽的晶體結構，如FeGa3，CoGa3……測定的精確度達到了世界上公認的高水平。

　　1955年，唐有祺在應用物理所組建了中國第一個單晶體結構分析的研究組。同年，在中國首次用X射線方法測定出一個單晶體結構。次年，吳乾章在應用物理所指導單晶體結構分析方法的研究，稍後，又倡導和組織了對結構分析“直接法”的研究，並最先組織了單晶體結構分析電子計算機程序的編寫工作。1963年以來，范福海等對直接法進行大量研究，他們突破了晶體學中直接法只能應用於小分子單晶體的X射線衍射分析的狹小領域的局限，開展了將直接法應用於測定蛋白質結構的研究，在將直接法與傳統的蛋白質結構分析方法-同晶型置換法和異常散射法相結合的研究中，取得了國際上迄今最佳的試驗結果，從而把直接法的應用從小分子推廣到大分子。范福海、鄭啟泰等就直接法處理晶體結構分析中關於由贗對稱引起的衍射周相不確定性問題，即用直接法測定特殊的“超結構”問題進行了系統研究，闡明了這一問題的原因、表現形式及解決這一問題的方法理論；建立了一套系統的實用算法，並將這種算法納入了直接法電子計算機程序系統SAPI。這是目前國際上唯一能夠自動處理晶體結構中贗對稱性問題的程序。

　　中國的電子顯微術研究始於1951年，當時錢臨照和何壽安等在物理所裝備的中國第一台電子顯微鏡上對金屬單晶體初期範性形變進行電鏡研究，在考察鋁單晶滑移形變後的表面特徵中發現許多新的物理現象。60年代，金屬所郭可信和物理所李方華開展了電子衍射的研究。郭可信等研究了單晶電子衍射圖的幾何並對不同類型電子衍射圖進行了分析；李方華等用透射和反射式電子衍射方法研究了薄膜結構與薄膜性能及其製造工藝之間的關係，並提出了一個從動力學電子衍射強度出發，尋求結構振幅的經驗方法，以此測定了23烷醇晶體結構中的氫原子位置。70年代後期，物理所和金屬所都開展了高分辨電子顯微術方面的工作，用點陣象技術直接觀察了晶體的結構和缺陷；隨後，又開展了結構象的應用研究，建立了高分辨電子顯微象的模擬計算技術。半導體所、上海硅酸鹽所、固體物理所等單位也先後開展了這方面的工作，在研究各種氧化物、金屬、半導體等材料的晶體結構、缺陷、界面時觀察到許多新的結構現象。80年代，物理所在高分辨電子顯微術方面的研究，提出了贗弱相位物體近似的象襯理論，並在此理論的指導下，首次在高分辨電子顯微象上觀察到輕原子鋰。1991年中科院物理所的李方華、范福海、胡建軍等把直接法推廣到高分辨電子顯微像。建立了一種新的高分辨電子顯微像圖象處理方法。它綜合了電子顯微術和衍射分析的優點，並把最大熵原理應用於高分辨電子顯微學中，藉助像的解卷處理，找到了一種適用於微小晶體試樣結構分析的新方法，接近衍射分辨極限，成功地測定了未知晶體結構。物理所馮國光用會聚束電子衍射方法研究了晶體的對稱性和晶體缺陷，並首先指出可以用豪威（Howie）和徽倫（Whelan）發展的晶體缺陷理論來解釋畸變場的會聚束電子衍射結果，提出了實現大角度會聚束電子衍射的一種新方法，還開展了電荷密度波的研究。1984年，國外首次報道用電子衍射方法在急冷鋁-錳合金中發現了具有5次對稱性的20面體准晶。這種准晶無平移周期，但仍屬長程有序，具有準平移周期。1984年，在郭可信、葉恆強的指導下，中國科學院金屬研究所的王大能發現，過渡族金屬合金中的四面體密堆相的電子衍射圖中衍射斑點是非周期性的五次旋轉對稱分布，認為這是各種納米微疇中的20面體柱具有相同取向引起的。受此啟發決定用快速凝固（ 106度/秒）方法製備20面體原子簇。1985年初張澤在Ti2Vi合金中發現20面體對稱准晶。這一獨立發現得到了國內外的肯定。物理所馮國光等於1986年在鋁鐵合金中發現了有10次對稱性的准晶。1987年，在郭可信指導下，北京科技大學研究生王寧和中科院北京電子顯微鏡實驗室陳煥，首先在急冷CrNiSi合金中發現了過去認為“不允許”的8次旋轉對稱准晶，他們還在急冷VNi合金中找到12次旋轉對稱准晶。上述幾個研究單位在一系列合金中找到20多種准晶，占1987年前後國際上已知的准晶數目的一半以上。1987年前後，中科院物理所李方華、麥振洪、陳熙琛、潘廣兆等在“准晶體結構和相位子缺陷”研究中，發現了介於准晶體與晶體之間的中間狀態，觀察到從准晶體到晶體的連續轉變；闡明了20面體准晶、10次准晶以及8次准晶與某一特定的相關晶體在結構上有密切聯繫，指出它們之間聯繫的媒介是線性相位子應變。在這些工作基礎上，提出了從相關晶體結構來求定一個與准晶結構有關的高維晶體的結構，從而發展了測定準晶體結構的新方法，並測定了Al-Cu-Li和Al-Mn-Si准晶體的結構。

　　1958年，應用物理所吳乾章與原子能所共同開展了用中子衍射方法研究晶體結構的工作，並組織了把X射線、電子和中子三大衍射技術結合起來互相補充的研究工作。1980年起，中國和法國的科學家合作成功地研製成具有國際水平的中子散射三軸譜儀和四圓衍射儀。利用這兩台儀器開展了一系列工作。林泉等利用中子非彈性散射研究了晶體的旋聲性，觀察到在某些旋聲晶體中，左旋的和右旋的圓偏振聲子可能具有不同壽命的現象。

　　1960年，原子能研究所楊楨、張煥喬等和中科院物理所李蔭遠開展了中子外場衍射這一課題的研究，發現當石英單晶做超聲壓電振盪時，衍射的中子束強度成倍增強。他們測定了增長倍數與振盪頻率、中子波長的關係，以及搖動曲線寬度變化、中子的單色等性能，並對其機製做了初步分析。這一現象的研究導致了對在運動的或具有晶格梯度的單晶對中子衍射機制方面的廣泛探討，闡明了中子動態衍射和單晶形變對衍射的各種影響，成為目前利用運動的晶體做衍射及利用形變晶體做衍射等衍射新技術的理論基礎。1974年，他們又發現不大的直流電場，能導致α-碘酸鋰某些晶面的中子衍射強度顯著增大，以及與這一現象有關的弛豫現象、各向異性、溫度和低溫“凍結”效應、交變電場效應等。對此現象的探討，導致1977年發現了直流場作用下TGS單晶在臨界點附近的中子衍射增強現象，並引起國內外對α-碘酸鋰在靜電場下物理特性的廣泛研究。此後，課題組又發現了TGS單晶在臨界溫度附近呈現的、外加靜電場引起的中子衍射增強現象。

　　(3)非晶態物理和液晶理論

　　自1974年以來，中科院物理所、金屬所、上海冶金所、固體物理所和中國科技大學等分別在潘孝碩、李林、王景唐、何怡貞等主持下，先後用射頻濺射、真空蒸鍍、急冷工藝和離子注入等方法製備成各種非晶態稀土-過渡族合金薄膜和多層膜，以及各種鐵基、鈷基、鋯基和鋁基非晶合金薄帶，並較深入地研究了它們的結構、電子態、弛豫過程、形成和相變、均勻流變、蠕變和斷裂、內耗、磁共振、穆斯堡爾效應、光散射、電性、磁性、超導電性、高壓下的物性和理論模型。王蔭君等研製成具有垂直膜面各向異性的釓鈷薄膜。潘孝碩、詹文山等系統地研究了過渡族元素對鐵硼系非晶態合金的磁性和電性影響的規律，並觀察到非晶態合金中感生各向異性的可逆和不可逆結構弛豫。趙見高等用核磁共振研究了非晶態鐵硼合金的短程序結構和硼原子的配位規律。鄔欽崇和何怡貞等從晶化動力學理論與實驗兩方面研究了非晶合金的晶化過程，區分出晶核形成和長大的兩個階段。王景唐等在非晶態鎳磷合金的晶化過程中，觀察到有4種不同取向的六角亞穩相和兩種新的六角亞穩相晶體。王震西等在非晶態釔鐵合金中觀察到氫致交換增強效應。韓大星等觀察到非晶硅光電導的熱淬滅及紅外淬滅現象。陳立泉和俞文海等還研究非晶固體的離子電導，在非晶態硼酸鋰中觀察到晶化前期的離子導電反常增高。趙忠賢等對非晶態銅鎳鋯合金的研究，指出它們的超導電性主要取決於費米面上的態密度。中科院半導體所根據研究硅反型層中的安德遜（Anderson）定域化的實驗結果，提出了一個非均勻無序系統的模型，並由此解釋了最小金屬電導實驗與理論預期的差異。他們利用紅外光譜和喇曼光譜研究了氫化和氯化非晶硅材料的振動譜，提出了識別硅-氯鍵的新見解，證實硅-氯鍵的形成可以提高薄膜的熱穩定性。他們還把表面分析技術用於研究氫化和氯化非晶硅的化學鍵形成和金屬絕緣體半導體多晶硅太陽能電池，通過對氫化非晶硅中氫原子間非鍵互作用的研究，指出它是導致氫原子局域振動模紫移和展寬的可能原因。

　　1979年以來，清華大學柳百新等對“載能離子束與金屬作用下合金相形成及分形生長現象”進行研究，在固體薄膜中首次觀察到多種分形凝聚行為和形態，提出了尖端-尖端模型和形核-凝聚模型，豐富了分形研究的實驗結果；在非晶態薄膜中發現了旋錯，證實了非晶態固體中不可能存在穩定的位錯，而只能產生旋錯；實現了原位研究薄膜的分形生長，論證了化合物合成中“結構適應性”原則。

　　1969年，中國開始開展對液晶的研究。80年代初中科院物理所張洪鈞、戴建華、王鵬業等在“液晶光學雙穩態中混沌運動”的研究中，觀察到雙穩區內存在新型周期為tR的暫態振盪，做出理論解釋；計算了液晶光學雙穩態的分岔圖。此項工作還為混沌理論的研究提供了一個進行實驗驗證的非線性系統模型。80年代中期，清華大學諸國楨在液晶中發現了一種新的機械波，被命名為“指向波”，是分子排列狀態撓動的傳播。這一發現對非線性動力學和生物物理學的研究有重要意義。從1989年起，中科院理論物理所歐陽鍾燦等利用液晶理論研究人工生物膜形狀，成功地解釋了人工生物膜泡形狀、人工膜螺旋結構，並預言了半徑比為的環形膜泡，得到了法國的實驗證實。

　　(4)內耗研究

　　中華人民共和國成立初期，應用物理所和清華大學就開始針對碳、氮在鐵中的擴散、脫溶和沉澱以及鐵的高溫蠕變和含碳的影響，合作進行內耗研究。1952年以後，中科院金屬所也大量開展了內耗研究。這一時期，葛庭燧等首次在γ-鐵和鎳等面心立方晶體中觀測到填隙原子所引起的斯諾克（Snoek）類型的內耗峰。最初是在含碳的幾種面心立方系合金鋼中發現，這種內耗峰的高度與含碳量成正比。隨後，又發現含微量錳的γ-鐵中因含碳而出現內耗峰，這種內耗峰的高度與含碳量的平方成正比。這類現象在含碳的鎳鋁合金和純鎳中也觀測到，而且內耗峰的高度也是分別與碳含量的一次方和二次方成正比。這說明填隙原子能夠在面心立方點陣中引起內耗峰是一種普遍現象。

　　中科院金屬所在內耗研究上，取得了重要成果。他們總結了關於鐵、銅、鋁、鎳等金屬及鎳碳、鋁銅和鋁鎂合金在範性形變過程中內耗的實驗結果，提出了金屬範性形變低頻內耗的位錯動力學模型；開展了用能量消耗的方法研究鋁及鋁合金在疲勞載荷作用下所發生的基本過程的工作，並根據點缺陷（定位和溶質原子）與位錯的交互作用的觀點對實驗結果做出解釋；比較系統地繼續進行了葛庭燧在1949年首先發現的表現反常振幅效應的內耗峰實驗，明確地提出了位錯彎結氣團模型。80年代以來，中國科學院內耗與固體缺陷開放實驗室在葛庭燧領導下，對晶粒間界的非線性內耗進行了系統而深入的研究，發現了正常和反常振幅效應的溫度內耗峰等非線性弛豫現象。近年來他們又發現了位錯與點缺陷交互作用所引起的一系列非線性的滯彈性內耗弛豫譜。因此，葛庭燧開創了新的非線性滯彈性領域。

　　(5)表面物理學

　　現代表面科學是從原子尺度上來研究固體表面的結構、物性和表面上的反應過程，同各國科學界一樣，中國物理學家對這一研究領域極為重視。

　　1975年，中科院物理所、半導體所等單位合作研製出了分子束外延設備。物理所周均銘等和半導體所孔梅影等都利用自己研製的分子束外延設備，成功地生長出高遷移率的砷化鎵/鎵鋁砷調製摻雜材料，並對其進行了一系列電學和光學實驗，觀察到量子霍耳效應。物理所還製成高電子遷移率場效應晶體管和開始研製超晶格。中國科學院通過分子束外延設備和俄歇譜儀的研製，建立和發展了中國超高真空和弱信號檢測技術以及表面分析技術。1987年建立表面物理國家重點實驗室，進一步加強了表面研究工作。物理所林彰達和伍乃娟等深入研究了過渡金屬及其化合物的表面結構和電子能譜，通過對鎢系統（碳/鎢，硅/鎢，銫/鎢，氧/鎢；各種形態氧化鎢等）、鉬、鈀、鉑、鐵和鎳等系列的表面研究，解釋了催化活性、表面中毒、表面氧化腐蝕、薄膜磁性和電子發射等機理。他們還緊密圍繞能源的開發和利用，研究了光分解水制氫電池的電極表面，提出用雙層電極膜作電極材料的思想，實現了提高分解水的效率和增加穩定性的要求。物理所的研究人員通過研究稀土和鈦鐵系材料的貯氫特性，提出了常見雜質氣體與硫化物表面中毒及再生的機理，總結出分凝狀況與活化孕育期的一般關係，為貯氫材料的應用提供了重要科學依據。金屬所郭可信和李日升等研究了斷口的表面分凝和偏析在金-銅合金擇優濺射中所起的作用，討論了合金濺射中的基本物理問題。半導體所許振嘉和鍾戰天等以及物理所和中國科技大學的一些研究組進行了金屬/半導體、硅/硅化物、氧化物/砷化鎵的界面研究，對半導體器件的研製起到很好的推動作用。物理所和金屬所等單位利用低能電子衍射技術對石墨插層材料和過渡金屬材料的表面結構、有序-無序、公度-非公度表面結構相變等進行了基礎表面物理研究。這些工作都推動了金屬硅化物形成規律、金屬/半導體界面及肖特基勢壘、半導體異質結等的研究。同時發現並解釋了金屬半導體界面形成過程中成分的表面偏析現象，在國際上得到好評。

　　1980～1988年，北京師範大學王忠烈等進行了“離子注入形成淺結和離子束感生界面混合機理研究”，提出了離子束混合機制的新模型，認為離子束感生界面原子混合特性不僅與系統的碰撞特性有關，還與系統的化學特性、熱力學性質、冶金特性有關；開展了用離子束混合方法形成硅化物規律的研究；研究了W-Si、Ti-Si、Pt-Si的生長動力學和退火特性。此後，張薈星研究小組製成我國第一台金屬蒸氣真空弧離子源（MEVVA源），並用於金屬離子注入材料表面改性。