凝聚态物理寻找自然美学中的真谛.pdfVIP

物理学漫谈 2014－07－21收到 凝聚态物理：寻找自然美学中的真谛 † email：hqluo@ DOI ：10.7693/w 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？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/newsDetail.asp?id=75) 分都是做凝聚态物理的，这话一点 美。自然之美总是令人叹 ·43卷 (2014年)8期 ·555 · 物理学漫谈 各样的形状，虽然它们绝 电子的各种 “凝聚状态”，主要关