270 物理学之固体物理学(1/2)

固体物理学，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，固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明以后，集成电路技术迅速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是革命性的。

研究历史?

早在18世纪.j.阿维对晶体外部的几何规则性就有一定的认识，后来a.布喇菲在1850年导出14种点阵。e.c.费奥多罗夫在1890年和a.熊夫利在1891年以及w.巴洛在1895年各自建立了晶体对称性的群理论。这为固体的理论发展找到基本的数学影响深远。&年von劳厄等发现x射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来布喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析的基础。对于磁有序结构的晶体，增加了自旋磁矩有序排列的对称性，直到50年代Α.Β.舒布尼科夫才建立了磁有序晶体的对称群理论。

第二次世界大战后发展的中子衍射技术，是磁性晶体结构分析的重要手段。70年代出现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，在致力于晶体结构的观察方面有所进步。60年代起人们开始研究在超高真空条件下晶体解理后表面的原子结构。20年代末发现的低能电子衍射技术在60年代经过改善成为研究晶体表面的有力工具。近年来发展的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表面的原子结构。

主要特点

在固体中，粒子之间种种各具特点的耦合方式。导致粒子具有特定的集体运动形式和个体运动形式，造成不同的固体有千差万别的物理性质。w..哈密顿在1839年讨论了排成阵列的质点系的微振动。人们称此模式为电磁耦合场振荡，相应的能量量子称为极化激元。在很低的温度。由于热扰动强度降低，在某些固体中出现宏观量子现象，某些半导体中的电子－空穴液滴，以及若干二维体系中的分数量子霍耳效应等都是宏观的量子现象。

通过巡游电子耦合趋于平行排列，产生铁磁性。居里温度很低的弱铁磁体，其中没有局域磁矩，它的铁磁性同自旋密度的起伏有关。过渡金属的铁磁性是一个困难又复杂的多体问题，还没有比较满意的理论处理。

相变在固体物理学中相变占有重要地位，它涉及熔化、凝聚、凝固、晶体生长、蒸发、相平衡、相变动力学、临界现象等。某些固体其特征物性沿一定方向周期变化，此周期与点阵的周期可能通约或不可通约，分别形成有公度相和无公度相。

晶体缺陷

实际晶体或多或少存在各种杂质和缺陷。依照传统的分类有：点缺陷、线缺陷（见位错）和面缺陷。它们对固体的物性以及功能材料的技术性能都起重要的作用。半导体的电学、发光学等性质依赖于其中的杂质和缺陷。大规模集成电路的工艺中控制(和利用)杂质和缺陷是极为重要的。硬铁磁体、硬超导体、高强度金属等材料的功能虽然很不同,但其技术性能之所以强或硬,却都依赖于材料中一种缺陷的运动。在硬铁磁体中这缺陷是磁畴壁（面缺陷），在超导体中它是量子磁通线，在高强度金属中它是位错线，采取适当工艺使这些缺陷在材料的微结构上被钉住不动，有益于提高其技术性能。

高分辨电子显微术正促使人们在更深的层次上来研究杂质、缺陷和它们的复合物。电子顺磁共振、穆斯堡尔效应、正电子湮没技术等已成为研究杂质和缺陷的有力手段。在理论上借助于拓扑学和非线性方程的解，正为缺陷的研究开辟新的方向（见晶体缺陷）。

界面有固体－固体、固体-液体、固体-气体界面之分。固体器件的基础是在界面发生的物理过程，随着微电子技术发展。器件的尺寸日益缩小，表面和界面的物理效应更加突出。特别是硅场效应管的硅－二氧化硅界面形成表面势阱，在其中的电子构成二维运动的电子气，具有独特的性质。包括电子态局域化和k.von克利青在1980年发现的量子霍耳效应以及d.c.崔琦在1981年发现的分数量子霍耳效应，涉及固体物理基本问题的现象。许多电化学过程发生在固体-电解液界面,腐蚀则常发生于固体-气体和固体-液体界面，因此界面物理和表面物理一样具有巨大的实际意义。

非晶态固体

非晶态固体的物理性质同晶体有很大差别。这同它们的原子结构、电子态以及各种微观过程有密切联系。从结构上来分，非晶态固体有两类（见无序体系）。一类是成分无序。在具有周期性的点阵位置上随机分布着不同的原子（如二元无序合金）或者不同的磁矩（如无序磁性晶体）。在这类体系中物理量不再有平移对称性。另一类是结构无序，表征长程序的周期性完全破坏。点阵失去意义。非晶态合金具有特殊的物理性质。非晶态磁性固体可以在较低的外磁场下达到饱和，磁损耗减小。所以非晶态合金具有多方面用途，无序体系是一个复杂的新领域，非晶态固体实际上是一个亚稳态。

亚稳状态

无序体系是一个复杂的新领域，非晶态固体实际上是一个亚稳态。新的实验条件和技术日新月异，为固体物理不断开拓出新的研究领域。极低温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术