凝聚态物理领域发展态势

作者: 周毅等

来源: 理论物理专款

发布日期: 2024-01-14 09:25:03

凝聚态物理学自20世纪40年代以来,通过“绝热连续性”和“对称性”两大理论基石,成功探索了多种物质状态及其相变,形成了“普适类”概念。20世纪70年代后,新的物理发现推动了“关联”和“拓扑”成为理解新物质状态及其相变的关键词。量子磁性和拓扑物理学的发展,进一步丰富了凝聚态物理的理论框架。

凝聚态物理学是由固体物理学发展演变而来的,主旋律是探索和研究物质的新状态。凝聚态物理理论是一门研究大量粒子聚集形成的物质体系的结构、物性等,以及不同物态之间的相变的理论科学。

自20世纪40年代以来,凝聚态物理学科已经形成了其独特的研究模式:通过“绝热连续性(adiabatic continuity)”和“对称性”这两大理论基石,物理学家们成功地探索和研究了包括金属、能带绝缘体和半导体、铁磁和其他有序磁体、超流和超导等在内的众多物质状态;并对不同物质状态的连续相变和临界现象有了深刻的认识,形成了所谓“普适类”的概念。

从20世纪70年代开始,以Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相变、量子霍尔效应和高温超导为代表的一系列新的物理发现都无法被容纳到Landau-Ginzburg-Wilson范式的框架中。凝聚态物理理论的发展呈现出颠覆这一传统范式的趋势,寻找新的研究范式势在必行。通过过去三四十年年的探索,人们逐渐发现“关联”和“拓扑”成为理解新的物质状态及其相变的关键词。

“关联”与相互作用以及相空间密切相关,成为产生新物质状态的“动力”;而“拓扑”形成一个除对称性之外的、新的物质状态的基本组织原则。此外,近三十年来得益于计算机技术和数值计算能力的高速发展,人们通过能带计算和数值模拟研究新的物质状态的能力大为提高。

量子磁性的研究与高温超导密切相关,在过去近30年逐渐演变为一个较为独立的凝聚态物理学分支。

作为独特的量子多体系统,量子磁性的理论研究与其他物理学分支在发展中相互促进,形成良好的互动,包括量子场论和共形场论、量子信息、数学物理、相变和临界特性、新型数值计算方法等。量子磁性的一个重要研究对象是量子自旋液体。量子自旋液体中的“液体”用于形容量子涨落导致基态自旋无法形成有序排布。但其本质上不同于由基态宏观简并导致的剩余熵或者热涨落造成的经典自旋无序态,而是形成具有长程纠缠的多体量子态。

拓扑学是现代数学研究的重要分支,它与物理学的结合所产生的拓扑物理学,是当代凝聚态物理的主要前沿方向之一。20世纪70年代,苏联的Berezinskii与英国的Kosterlitz和Thouless在理论上独立提出了一类新的相变,其机制是序参量的涡旋的凝聚导致的二维体系中准长程有序的破坏。由于涡旋具有非平凡的拓扑结构,因此这类相变后被称为拓扑相变,它的提出代表了拓扑物理学的开端。

20世纪80年代,美国的Haldane发现一维自旋链上的有效场论中的拓扑项(θ-项)决定了基态的简并度等重要性质。几乎同时,包括Thouless在内的研究团队,指出量子霍尔效应中量子化的电导与拓扑学中的“陈(省身)示性类”之间的定量联系。这两项工作,用拓扑学中的概念和理论描述量子物态,开创了拓扑物态的理论研究。

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