21世纪的凝聚态物理学

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冯端

凝聚态物理学向化学、生物等学科的渗透仍将继续，甚至将导致物理学本身面目的改变

在世纪之交即将来到之际，展望一下21世纪中凝聚态物理学的可能进展，将是一种颇令人感
兴趣的事。这里所谈的，无非是就80年代以来学科发展趋势作适当的外推。显然不可能说准
。由于科学发展自有其不可预测的一面，一些真正重大的进展会失之交臂，将是毫不足怪的
。

一、新有序相的问题

对称破缺导致有序相的出现，一直是凝聚态物理学的核心问题。80年代以来，一系列新有序
相（例如重费米子系统、有机导体与超导体、氧化物高温超导体、C60超导体等）的发现，引
起了学术界的普遍关注。看来，这方面的发展势头方兴未艾，将会持续到下一世纪。而已经
发现的新有序相的基态、无激发和缺陷等机制的认定，也尚未解决。所遇到的困难，可能是
这里接触到强关联的电子系统，而过去凝聚态物理学所成功处理的乃是弱关联的电子系统。
有关强关联电子系统较彻底的解决，看来也将是21世纪的事。

二、纳米科技与相关的物理问题

电子学与光子学是和凝聚态物理学密切相关的技术。它们的高度发展是凝聚态物理学取得巨
大经济和社会效益的明证；反过来，这些技术也对凝聚态物理学提出新的挑战。器件的进一
步微型化将不仅涉及几何尺寸的缩小，也导致新的物理规律的揭示。从70年代以来，有关量
子阱、异质结与超晶格的研究成为半导体物理的热点领域，占有愈来愈大的比重。这一趋势
已向凝聚态物理学中的其他领域扩展，磁性多层膜和超导多层膜就是例子。以量子阱进一步
降低维度，又导向了量子线和量子点的研究。相干波的量子输运也在介观物理这领域得到体
现。进而库仓阻塞效应和单电子隧穿现象的发现又演示了单电子电子学器件的物理可行性。
总之，这些领域构成了当今研究的热点，其活动看来是要延伸到下一世纪，而取得效益也显
然是下一世纪的事。

另一方面在大块凝聚态物质与单个原子、分子之间空白的过渡区域，正在形成原子团簇研究
的新领域。将团簇汇集而成的纳米材料，将物理与材料设计汇为一体，也是极有发展前景的
新材料领域。隧道扫描电镜以原子成像向操纵原子技术方面的发展，也为纳米科技提供了有
力的新技术。

三、面向复杂的物质世界

物理学的研究是从处理简单系统的规律入手的，牛顿力学，麦克斯韦的电动力学，均是如此
。在经典物理学中物的成份较小，理的成份较大。但自从量子力学和统计物理的发展使人们
掌握了认识物质世界的钥匙，使物理学中物的成分与理的成分相互平衡，平分秋色。随后是
粒子物理与凝聚态物理分道扬镳，前者探索更微观领域内简单系统的基本规律；而后者则面
向复杂的物质世界。凝聚态物理学发展的本身，也体现了从简单物质向复杂物质发展的规律
：导体从铜向聚乙炔，半导体从硅向砷化镓到Ⅲ—Ⅴ和Ⅱ—Ⅵ族超晶体，超导体从铌到Nb3S
n，再到钇钡铜氧多元化合物，都说明了这一趋势。凝聚态物理学重要成果之一乃在于初步理
解了物质系统层现性质，由对称破缺导致序参量和广义刚度的出现，这是一个绝好的例证；
其他如涉及遍历破缺的相关问题尚处于更原始的状态。无论如何，面对复杂的物质世界，物
理学界不再是手足无措。多层次地运用层现性质，就可能将处理简单物质行之有效的种种方
法逐步引伸去处理化学成分和结构层次更为复杂的物质。德燃纳与爱德华兹等在液晶物理和
高分子物理等领域中卓有成效的工作可以作为例证。看来，凝聚态物理学向化学和生物等相
邻学科中的渗透仍将继续，甚至将导致物理学本身面目的改变，物的成分将进一步加重，可
能会盖过理的成分，这也许是21世纪物理学的重要特征。