凝聚態物理有哪些前沿領域？重要性如何？

01-03

本問的「凝聚態物理」概念是比較寬泛，不是專指固體物理。
Condensed Matter Physics：http://en.wikipedia.org/wiki/Condensed_matter_physics
傅渥成的答案從「很大」的角度畫了幾幅圖景。確實是個好答案，但也請其他同行就您本人熟悉的研究領域談談前沿及其重要性。或者可以呼應傅渥成答案中的某一條支路。

謝謝邀請，這個是一個好難好難的問題啊，但是問題實在太大，遠遠超過了我的能力範圍。

我希望能有更多的人有更好的回答，我這裡提供一個分析凝聚態物理的幾種基本的線索，而問題我想更需要自己去慢慢找，我列舉一些路線圖，相信這些思考的角度可以幫助你找到一些凝聚態物理裡面的問題。

（一）從傳統固體物理出發的路線圖。

固體物理研究的是波（如聲波和電子）在周期介質中的傳播問題。那麼沿著這一條路線，首先想到的問題就是：

（1）周期結構如果破壞了，那麼會如何？這一條思路上的問題包括：界面、雜質、缺陷和無序（無序結構既包括比較弱的無序，比如Anderson時代就討論過的局域化，也包括准晶上的電子結構，玻璃態等等更複雜的問題）。

（2）在更大的尺度上建構這樣的周期結構，那麼會如何？這一條思路上的問題包括：光子晶體和其它超晶格上的物理問題；

（3）在更小的尺度上考慮這些周期結構的破壞，那麼會如何？這一條思路主要則是考慮低維度體系（例如graphene），尤其是納米材料（只要任意一個維度上是納米的都可以，因此包括量子點、納米線、薄膜……諸多體系上的物理），當周期結構被破壞，那麼波的圖像也就失敗了，與此聯繫著的就是從粒子的角度出發的電子輸運問題。而輸運問題，一旦考慮，則又可以討論在電場、磁場情況下的輸運，在包含了磁場的情況下，那麼自旋也就是有必要被考慮進來的。

（二）超越傳統的固體物理的思路——從量子多體理論（量子場論）的視角來認識強關聯體系和其它有著複雜的電子—電子作用或者電子—聲子作用的凝聚態物理體系。凝聚態體系，尤其是傳統研究的電子體系，這裡面是一個非常複雜的多體相互作用的問題。解決多體相互作用的問題實際上用到的是場論的方法，產生一個電子，再湮滅一個電子，這樣的一個「探針」，作為研究一個實際物理體系黑箱的基本途徑。

（1）而傳統的固體物理，那種波的視角下，能夠解決的往往是弱關聯情況下的物理，當關聯效應越來越重要，這時候就需要有一些新的方法引入來解決這些問題。怎樣抽象出一個實際物理體系的Hamiltonian就是一個嚴肅的問題，早些年的BCS理論，再到現在的高溫超導，甚至鐵基超導等等，裡面總是涉及到電聲子作用或者關聯等等這些方面的理論問題，而一旦涉及到電子關聯，這些問題是密度泛函理論所不能解決的，因此在理論上很需要有新的突破。

（2）多體理論有關的理論問題。凝聚態場論這裡面涉及到的東西非常複雜，也不是我能一兩句話說清楚的，不過簡單的來看，涉及到Bose子的統計往往比較簡單，所以大家希望把Fermi子的有關問題Bose化，這是一個思路。因為Fermi子問題才是真正的關鍵所在，平時我們所看到的各種各樣的磁現象和電子相互作用，還有像自旋電子學等等都需要我們對Fermi子有關的場論有更多的認識。總的來說，一個可能的思路就是多體問題化兩體問題，兩體非對角的相互作用化成對角形式，但是或許這些問題的解決還會有新的方法。

（3）系統的基態和激發態性質。當求解一個實際物理體系，我們很關心系統的基態性質（某種意義上密度泛函也是解決基態問題的），另一個則是激發態的性質。激發態的情況可能會很複雜，一個傳統的問題也就是其中的元激發。元激發包括粒子的集體激發，也包括粒子的個別激發。之所以引入元激發概念，不僅是因為高能激發在研究的時候是困難的，也因為在低溫和弱場的情況下，粒子也正是面對著這些低能的激發態，求解基態性質和元激發也是凝聚態物理的重要的研究思路，各種各樣的多體系統都面對這樣的問題，不管是自旋波、聲波、等離激元這樣的老問題，再到現在流行的BEC和冷原子等問題，都可以劃分在這一類問題當中。此外，在基態附近的一些擾動，有的還可以用線性響應理論來處理，但是一旦擾動變大，這就又會涉及到非平衡、非線性的一些問題了，這就又是另一群故事了。

（4）規範場論（格點場論）的一些東西。這些方面的東西同樣是非常重要的，不過我了解太少，沒法展開講，並且不但涉及到理論，也涉及到計算，還和一些「基本的」物理問題有聯繫，這方面的東西可以參考文小剛老師的《量子多體理論》的書，他有一些很有意思的猜想。

（三）相變的一些問題同樣是理解凝聚態物理學的一條線索。

（1）重整化。我想，前面提到的場論的這些事情和凝聚態的事情聯繫在一起，一個特別重要的聯繫就是重整化的方法。而既然談到重整化，那麼不僅包括場論意義上的問題，也包含了一些統計物理上的問題，於是還可以聯想到凝聚態物理的相變問題，尤其在臨界點附近的一些情況，相應的標度的方法也被用到了高分子體系，這是de Gennes的功勞。

（2）序參量。除了重整化之外，面對相變問題，我們還希望找到好的序參量，分析系統的對稱性。因此這裡面還包括對實際物理體系的一些新的序和一些對稱性的認識，這裡的現在比較流行的有關於拓撲序的一些問題，例如拓撲絕緣體的問題。相變的這些問題其實非常多，不但超導超流這些問題是相變，在磁性材料裡面還有更多的相變問題，如果到了軟物質體系（包括生物大分子如蛋白質、RNA、DNA、生物膜等等），無序系統（玻璃、膠體……），則裡面還有更複雜的相變，這些問題不但有理論價值，在可以被定量調控的前提之下，它們也很有可能有應用的前景。

這個問題我們老師在課堂ppt上有一個很不錯的總結：

凝聚態物理研究的幾大趨勢：

「大」→「小」

表面科學→納米科學

「宏觀」→ 「微觀」（實驗技術和理論模擬）

單原子/單分子層面的物理和技術成為主流

「簡單」→「複雜」

從簡單金屬、半導體到新型複雜材料的表面性質研究

「單一」 →「多重」

振動/電子/自旋/光學/化學識別多種自由度的結合，催生了豐富的納米/表面現象和物理

表面科學（我覺得換成凝聚態科學也合適）當前的熱點和發展趨勢：

1.表面人工納米結構的構築和原子尺度操控

絕緣體表面、磁性納米結構、單分子操縱

2.新材料的合成和研究

高溫超導體、拓撲絕緣體、石墨烯、低維強關聯體系

3.極端條件下的儀器技術發展

時間 (fs)、空間 (sub-?ngstrom)、能量 (sub-ueV)、溫度 (sub-mK) 、磁場 (&>20T)、高頻 (&>500MHz)

4.理論手段的發展

第一性原理計算和分子動力學模擬：強關聯、激發態、弱相互作用、原子核量子效應、大體系

5.工業技術應用相關

表面催化、太陽能電池、產氫和儲氫、生物體系