20200114什么是凝聚态物理？

凝聚态物理学是目前物理学各分支学科中最大的研究领域，据说现在物理系博士生中有1/4研究的就是凝聚态物理。

凝聚态物理学研究的对象和人们的日常生活可以说是最近的，比如我们现在手机电脑背后的科学基础基本上都是凝聚态物理学，但凝聚态物理这个名字又是离普通人最远的。

对于普通人来说，天体物理，核物理，粒子物理，以及原子分子和激光物理都是不需要解释的，虽然普通人不懂天体物理，但天体物理是干什么的，普通人仅通过天体物理这四个字也可以猜的差不多。

但凝聚态物理，普通人看不懂，学科没有一个好名字对学科的发展是不利的，比如我在上大学的时候，系里最好的专业是晶体物理，但我觉得这个名字不如理论物理酷，于是就选了理论物理。但等真学了几年，了解多了一些，才发现其实理论物理研究的某些前沿也是和晶体结构有关系的事情（举个例子，两个单层石墨烯转一个小角度，就变成了超导体），但理论物理不做实验，不能真的把自己研究的东西做出来，至少对我来说是不太酷的。

“魔角”石墨烯被自然、物理世界等评为今年最重要的科学发现。

如果没有一个好名字的话，即便对一个行业内的人来说要想对外行解释清楚也是十分困难的。比如说你问我什么是凝聚态物理，我能想到的回答就是把这个学科的发展历史给你简单列一列，这不是一句话能说清楚的。

凝聚态物理的前身是固体物理，这个名字不用解释，普通人也知道物体有三态，固体物理就是研究固体的。固体有种种物性，比如导电性不同，根据导电性的不同可分为金属，半导体和绝缘体。

固体物理就是研究这些的，而研究这些的前提是必须有量子力学。因为物质是原子构成的，原子是由电子和原子核构成的。所谓固体就是一堆原子核和一堆电子，其中电子的运动又更关键一些，打个比方就是原子核是舞台，电子是舞台上的演员。

研究电子必须要用量子力学。

量子力学出来后，关于金属的研究获得了很大的进步，典型的工作有玻姆和派因斯的等离激元等。更重要的是电子能带论，能带论构成了半导体物理学的基础，半导体物理是计算机的基础，而计算机是今天信息革命与信息社会的基础，凝聚态物理逐渐取代粒子物理成为物理学研究的主流和这一点关系很大。

除了金属和半导体外，固体物理中典型的研究领域还有超导与磁学。超导潜在地有很大很广阔的工业前景，并且在科学上也是很有趣的。而磁学和半导体物理一样也是信息技术的基础，因为信息的存储目前主要还是依靠磁性，同时磁性也是典型的量子现象。

两次获得诺贝尔物理奖的巴丁是固体物理学的标杆性人物，他发明了晶体管，解释了常规超导体的物理机制。

固体物理虽然被泡利说成是脏的（意味着要做近似，意味着说不清），但在上世纪后半叶仍然获得了很大发展。同时在上世纪的80年代开始出现了一系列的新研究，这些新研究被当时的物理学家认为已经突破了传统固体物理学研究的范式。

比如：高温超导，量子霍尔效应，碳60，超晶格，准晶等。传统的固体物理强调周期对称，在长、宽、高三个维度上的周期性堆砌构成了我们看到的固体。但现在发现打破周期性，或在一个、两个甚至三个维度上打破周期对称会发现一系列以前观察不到的新现象。

从上世纪80年代开始，物理学家就逐渐开始用凝聚态物理这个名字来概括他们越来越广阔的研究对象。与此同时由于以上研究与产业离的比较近，来自政府以及工业界的投资也越来越多。

最近40年以来，凝聚态物理学的发展是很迅速的，人们可以在纳米尺度上设计很复杂的物质结构，利用各种量子效应来操控电子或自旋的状态，它既是未来量子计算的基础，也是延续经典计算摩尔定律的基础。

英特尔公司和伯克利大学最近宣布了新的基于多铁和拓扑材料的新器件，有望延续摩尔定律。

摩尔定律的基础就是负责信息存储或运算的器件尺寸可以越做越小（小型化），或者完成单次信息存储或运算的能量消耗可以越来越小（节约能量）。这对应的是计算机运算的速度越来越快，或我们手机的待电时间可以越来越长。

从这个角度材料物理这个名字也许更能概括这个领域的研究。但问题是材料物理这个名字一般是搞工程的人讲的，有其传统内涵，而现在凝聚态物理学家研究的对象是突破了材料物理的传统内涵的，于是某些凝聚态物理学家更喜欢用量子材料这个新名字来概括他们的研究。

不幸英年早逝的张首晟教授是凝聚态物理学最近三十年的标杆性人物。