计算物理以计算机为工具,以计算方法和计算软件为手段,研究和发现物质结构及其运动规律,在物理学的各个分支学科发挥了重要的作用,已成为与实验物理和理论物理同等重要并可持续发展的二级学科。计算物理学起源于二战期间的曼哈顿计划,研究人员在无法解析地解决问题并且需要处理的数据太多时,通常运用计算物理进行模拟。在我国,计算物理始于20世纪50年代,源于国家安全领域重大需求,特别是“两弹一星”任务的牵引。
凝聚态系统是一个由大量电子和原子核形成的相互作用的量子系统,凝聚态物理是过去40年来物理学研究中发展最快的学科领域之一。通过建模的持续改进和发展高性能计算,计算物理搭建了理论与实验、微观与宏观的桥梁,为凝聚态领域提供了崭新而有效的科学研究方法。
计算凝聚态物理针对以固体材料为主的凝聚态系统,研究组成材料原子的空间结构,原子与电子电荷、自旋和轨道自由度的耦合,以及由此涌现出的各种量子态,并发展相应的计算方法。
当前,凝聚态物理中的强关联量子多体问题仍是极具挑战的研究领域。研究人员一般会面向具体问题建立一个描述系统低能电子的模型,随后通过数值模拟研究系统物性,揭示物理规律。本节将就关联量子现象的规律及机理中有潜力的研究领域、计算方法的发展两个方面展望相关领域的未来。