固体物理概论论文

固体物理概论

学院：物理与电气工程学院

专业：物理学 班级：10级 学号：101101060

姓名：吴晓锋

1．固体物理简介

固体物理学是凝聚态物理的主干，近二三十年研究工作有很大发

展。它是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。 固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态固体。简单地说，固体物理学的基本问题有：固体是由什么原子组成？它们是怎样排列和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？各种固体有哪些可能的应用？探索设计和制备新的固体，研究其特性，开发其应用。

2．中国固体物理发展及成就

中国科学院建立以后，组建了以固体物理为主要研究方向的应用物理研究所，他们和一些高等院校一起，推动了晶体学、低温技术、磁学、固体强度与范性学的研究工作的发展。1958年，在新建的中国科学技术大学内设置了以凝聚态物理为专业的技术物理系。1977年中国科学院召开的新学科规划会议上，把表面物理、非晶态物理、固体缺陷、相变和高临界温度超导体确定为凝聚态物理的发展重点。这一时期，在北京、上海、昆明、长春、合肥等地建立了相应的研究机构。各地的高等院校也取得了一些重要研究成果。到1990年，中国的凝聚态物理研究的分支学科，已发展成为包括晶体学、晶体生长、磁学、半导体物理、电介质、非晶态物理、表面物理、低温物理、高

压物理、固体缺陷、内耗以及固体离子学等十多个分支的大领域；研究机构已发展到十多个研究所和高校研究室，研究人员已达两千多人。 晶体中发生电子跃迁时，常常会伴随着发生晶格能量的改变，表现为晶体中电子跃迁的光吸收和光发射具有复杂的与温度有关的谱线形状。这个问题对认识晶体的光学和光电性质、认识晶体中激发出来的载流子的运动和寿命等都有重要意义。1950年，黄昆和里斯（A．Rhys）在“F心的光吸收和非辐射跃迁的理论”中首次对这个问题给出了完整的理论处理。他们把围绕F心的晶格原子的平衡位移位形用晶格振动的正则坐标来展开，跃迁前后的平衡位移位形的变化便表现为晶格振动能量的变化。这样便清楚地得到了电子跃迁时同时会发射或吸收一个或多个晶格振动量子-声子的物理图象，得到了复杂的谱线形状以及它对温度的依赖关系的物理本质。国际物理学界公认这一理论的开拓意义，并把它称为“黄-里斯理论”，对以后发展起来的“极化子”理论的形成有重要影响。从1980年到1985年，黄昆和他的学生比较严格地分析了这类理论处理的基础——把电子运动和晶格运动分开处理的所谓绝热近似，提出一个有多个不同频率的声子模式参加的多声子复合过程的理论模型和计算这个模型的理论方法。

1950年，黄昆综合介质的电磁理论和晶格动力学理论对极性晶体提出了一对唯象方程。它提供了处理极性晶体光学振动的基础，被称为“黄方程”。1951年黄昆从黄方程出发，又推导出晶体中的声子与电磁波的耦合振荡模式。他所预见的声子与电磁波的耦合振动模式于

1963年首先被半导体磷化镓的Ra-man散射实验所证实，被命名为极化激元。后来发现其他物质振动也有类似的与电磁波的耦合模式，也被称为极化激元。现在极化激元成为分析固体光学性质的基础，黄昆的工作在国际上被看作是极化激元领域的里程碑式的工作。70年代后期和80年代初期，黄昆探讨了多声子复合理论中绝热近似是否失效的问题和无辐射跃迁的绝热近似及静态耦合理论，指出康登（Condon）近似实际上包含有微扰处理上的错误，并提出了选择非康登近似波函数的理论判据。在此基础上，他证明了在晶格弛豫只限于电子-声子相互作用的对角部分以及非对角部分只限于一级微扰处理的范围内，绝热近似和静态耦合理论是完全等价的。这一结论，从理论上肯定和统一了无辐射跃迁理论的主要成果，并对其后无辐射跃迁几率的实际计算工作具有重大的指导意义。1982年，黄昆等又把多声子跃迁理论中广泛采用的单频模型推广为多频模型，提出了声子模型统计分布，揭示了多声子理论的一个新的方面，阐明在多声子跃迁中发射了哪些声子。1983年，他又对多频模型中最陡下降法的理论基础做进一步探讨，证明了当声子数足够多时，由最陡下降法得到的跃迁几率与由严格理论得到的结果是一致的。

80年代，中科院理论物理所于浔、苏肇冰等对电子-晶格畸变高度非线性耦合的跃迁过程进行了系统的研究，在黄-里斯理论的基础上，提出了一个多电子系统局域型非线性元激发的量子跃迁理论，给出了局域型非线性元激发辐射跃迁和无辐射跃迁量子跃迁几率的普遍表达式。在上述理论框架内，对于Trans-聚乙炔引入了空间反演

算符和电荷共轭算符，求得了系统哈密顿量，系统地导出了这种局域型元激发在辐射跃迁和无辐射跃迁过程中必须遵守的一些选择定则，并解释了实验上观察到的Trans-聚乙炔系统光生中性孤立子对被禁戒的现象。在双极化子模型的基础上，应用上述理论到Cis-聚乙炔的共振Raman谱上，理论计算与实验结果基本相符。

3．当代热门课题

近20年来固体物理的研究热点： 1.准晶态的发现（1984年）

2.高温超导体的发现YBaCuO2（钇钡铜氧化物）（1986年） 3.纳米科学（1984年）

4.材料的巨磁阻效应LaSrMnO3（1992年） 5.新的高温超导材料MgB2（2001年）

凝聚态物理学是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一，固体物理是它的主干，研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。它是以固体物理学为主干，进一步拓宽研究对象，深化研究层次形成的学科。其研究对象除了晶体、非晶体与准晶体等固体物质外，还包括稠密气体、液体以及介于液体与固体之间的各种凝聚态物质，内容十分广泛。其研究层次，从宏观、介观到微观，进一步从微观层次统一认识各种凝聚态物理现象；物质维数，从三维到低维和分数维；结构从周期到非周期和准周期，完整到不完整和近完整；外界环境从常规条件到极端条件和多种极端条件交叉作用，等等，

形成了比固体物理学更深刻更普遍的理论体系。经过半个世纪的发展，凝聚态物理学已成为物理学中最重要、最丰富和最活跃的分支学科，在诸如半导体、磁学、超导体等许多学科领域中的重大成就已在当代高新科学技术领域中起关键性作用，为发展新材料、新器件和新工艺提供了科学基础。前沿研究热点层出不穷，新兴交叉分支学科不断出现，是凝聚态物理学科的一个重要特点；与生产实践密切联系是它的另一重要特点，许多研究课题经常同时兼有基础研究和开发应用研究的性质，研究成果可望迅速转化为生产力。