21世紀的凝聚態物理學

http://www.jdedu.net:8080/Basic/EBookLib/JXCKS/TS015007/
馮端

凝聚態物理學向化學、生物等學科的滲透仍將繼續，甚至將導致物理學本身面目的改變

在世紀之交即將來到之際，展望一下21世紀中凝聚態物理學的可能進展，將是一種頗令人感
興趣的事。這裡所談的，無非是就80年代以來學科發展趨勢作適當的外推。顯然不可能說准
。由於科學發展自有其不可預測的一面，一些真正重大的進展會失之交臂，將是毫不足怪的
。

一、新有序相的問題

對稱破缺導致有序相的出現，一直是凝聚態物理學的核心問題。80年代以來，一系列新有序
相（例如重費米子系統、有機導體與超導體、氧化物高溫超導體、C60超導體等）的發現，引
起了學術界的普遍關注。看來，這方面的發展勢頭方興未艾，將會持續到下一世紀。而已經
發現的新有序相的基態、無激發和缺陷等機制的認定，也尚未解決。所遇到的困難，可能是
這裡接觸到強關聯的電子系統，而過去凝聚態物理學所成功處理的乃是弱關聯的電子系統。
有關強關聯電子系統較徹底的解決，看來也將是21世紀的事。

二、納米科技與相關的物理問題

電子學與光子學是和凝聚態物理學密切相關的技術。它們的高度發展是凝聚態物理學取得巨
大經濟和社會效益的明證；反過來，這些技術也對凝聚態物理學提出新的挑戰。器件的進一
步微型化將不僅涉及幾何尺寸的縮小，也導致新的物理規律的揭示。從70年代以來，有關量
子阱、異質結與超晶格的研究成為半導體物理的熱點領域，占有愈來愈大的比重。這一趨勢
已向凝聚態物理學中的其他領域擴展，磁性多層膜和超導多層膜就是例子。以量子阱進一步
降低維度，又導向了量子線和量子點的研究。相干波的量子輸運也在介觀物理這領域得到體
現。進而庫倉阻塞效應和單電子隧穿現象的發現又演示了單電子電子學器件的物理可行性。
總之，這些領域構成了當今研究的熱點，其活動看來是要延伸到下一世紀，而取得效益也顯
然是下一世紀的事。

另一方面在大塊凝聚態物質與單個原子、分子之間空白的過渡區域，正在形成原子團簇研究
的新領域。將團簇匯集而成的納米材料，將物理與材料設計匯為一體，也是極有發展前景的
新材料領域。隧道掃描電鏡以原子成像向操縱原子技術方面的發展，也為納米科技提供了有
力的新技術。

三、面向複雜的物質世界

物理學的研究是從處理簡單系統的規律入手的，牛頓力學，麥克斯韋的電動力學，均是如此
。在經典物理學中物的成份較小，理的成份較大。但自從量子力學和統計物理的發展使人們
掌握了認識物質世界的鑰匙，使物理學中物的成分與理的成分相互平衡，平分秋色。隨後是
粒子物理與凝聚態物理分道揚鑣，前者探索更微觀領域內簡單系統的基本規律；而後者則面
向複雜的物質世界。凝聚態物理學發展的本身，也體現了從簡單物質向複雜物質發展的規律
：導體從銅向聚乙炔，半導體從硅向砷化鎵到Ⅲ—Ⅴ和Ⅱ—Ⅵ族超晶體，超導體從鈮到Nb3S
n，再到釔鋇銅氧多元化合物，都說明了這一趨勢。凝聚態物理學重要成果之一乃在於初步理
解了物質系統層現性質，由對稱破缺導致序參量和廣義剛度的出現，這是一個絕好的例證；
其他如涉及遍歷破缺的相關問題尚處於更原始的狀態。無論如何，面對複雜的物質世界，物
理學界不再是手足無措。多層次地運用層現性質，就可能將處理簡單物質行之有效的種種方
法逐步引伸去處理化學成分和結構層次更為複雜的物質。德燃納與愛德華茲等在液晶物理和
高分子物理等領域中卓有成效的工作可以作為例證。看來，凝聚態物理學向化學和生物等相
鄰學科中的滲透仍將繼續，甚至將導致物理學本身面目的改變，物的成分將進一步加重，可
能會蓋過理的成分，這也許是21世紀物理學的重要特徵。