汇聚态化学学()是研究汇聚态物质的化学性质与微观结构以及它们之间的关系,即通过研究构成汇聚态物质的电子、离子、原子及分子的运动形态和规律,因而认识其化学性质的学科。一方面,它是固体化学学的向外延拓,使研究对象除固体物质以外,还包括许多液态物质,例如液氦、熔盐、液态金属,以及液晶、乳胶与聚合物等,甚至个别特殊的气态物质,如经玻色-爱因斯坦汇聚的玻色二氧化碳和量子简并的费米二氧化碳。另一方面,它也引入了新的概念体系,既有利于处理传统固体化学遗留的许多疑难问题,也易于推广应用到一些比常规固体愈加复杂的物质。从历史来看,固体化学学创建于20世纪的30—40年代,而汇聚态化学学这一名称最早出现于70年代,到了80—90年代,它逐步代替了固体化学学作为学科名称,或则将固体化学学理解为汇聚态化学学的同义词。
汇聚态化学学是现今化学学最大也是最重要的分支学科之一。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类汇聚态化学现象;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,产生了比固体化学学更深刻更普遍的理论体系。经过半个世纪多的发展,汇聚态化学学已成为数学学中最重要、最丰富和最活跃的学科,在例如半导体、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、新元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汇聚态化学学的一个重要特征;与生产实践密切联系是它的另一重要特征,许多研究课题常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。
起源发展
汇聚态化学学起源于19世纪固体化学学和高温化学学的发展。19世纪,人们对晶体的认识逐步深入。1840年德国化学学家A·布拉维导入了三维晶体的所有14种排列方法,即布拉维点阵。1912年,丹麦化学学家冯·劳厄发觉了X射线在晶体上的衍射,开创了固体化学学的新时代,自此,人们可以通过X射线的衍射白色研究晶体的微观结构。
19世纪,波兰知名数学学家法拉第在高温下液化了大部份当时已知的二氧化碳。1908年,德国化学学家H·昂内斯将最后一种无法液化的二氧化碳氢气液化,创造了人造高温的新纪录-269°C(4K),但是发觉了金属在高温下的超导现象。超导具有宽广的应用前景,超导的理论和实验研究在20世纪获得了长足进展,临界转变体温最高纪录不断刷新,超导研究早已成为汇聚态化学学中最热门的领域之一。
现在汇聚态化学学面临的主要问题低温超导体的理论模型。
理论基础
固体化学学的一个重要的理论基石为能带理论,它是构建在单电子近似的基础上的。而汇聚态化学学的概念体系则渊始于相变与临界现象的理论,扎根于互相作用多粒子理论,因此具有愈发开阔的视野:既关注处于相变点两侧的有序相凝聚态物理专业代码,也不忽略处于另左侧的无序相,乃至于二者之间临界区域中彰显标度律与普适性的化学行为。
L.朗道于1937年针对二级相变提出了对称破缺的重要概念,后来成为汇聚态化学学概念体系的主轴。在某一特定的物态之中,某一对称元素的存在与否是不能模棱两可的。当原始相中某一对称元素在变温或变压过程中忽然失去,就意味着发生了相变,出现了有序相。引入序热阻拿来定性和定量地描述有序相和原始相的偏离。仍然降到零温(0K),有序相达到能级,而非零温的有序相处于迸发态。而迸发态有恢复破缺了的对称性的倾向。低能迸发态是非定域的,以波或准粒子的方式出现,被称为元迸发的集合。非线性定域化的迸发态则称“谶纬”拓扑缺陷。元迸发与拓扑缺陷均会对不同的化学性质形成影响。
物质处在足够高的气温将呈现气态,它是均匀且各向同性的,就统计意义而言,保持了完整的平移和旋转对称性,与统辖它的数学定理的对称性相同。降温会使二氧化碳凝结成液体,虽非整体的对称性始终保持不变,但出现了短程序。再降温又使液体融化成为晶体,平移和旋转的对称性都发生破缺,剩下的对称性属230个空间群中的一个。固体丰富多彩的物性是和对称破缺密切相关,而具有迷人兴趣物性的液体也多半是液晶或复杂液体,也和某种对称破缺有关。晶态中的元迸发为晶格震动或声子,是理解固体的力学性质的关键,晶态中的拓扑缺陷为位错,是理解固体的塑性与硬度的关键。
研究内容
汇聚态化学学的基本任务在于揭示微观结构与物性的关系,因此判定构成汇聚态物质的个别类型微观粒子的集体是否呈现量子特点(波粒二象性)是至关紧要的。电子质量小,常温下显著地呈现量子特点;离子或原子则因为质量较重,只有高温下(约4K)的液氦或极高温下(μK至nK)的碱金属黏稠二氧化碳,原子的量子特点才突出地表现下来。这也说明为什么高温条件对汇聚态化学学的研究非常重要。微观粒子分为两类:一类是费米子,具有半整数的载流子,服从泡利不相容原理;另一类是玻骰子,具有整数的载流子,同一能态允许任意数的粒子抢占。这两类粒子的化学行为判然有别。
固体电子论
对固体中电子行为的研究仍然是固体化学学的核心问题。汇聚态化学学中情况依旧这么。固体中电子的行为可按电子间互相作用的大小,分为三个区域。
①弱关联区。基于电子受晶格上离子散射的能带理论,为固体中电子行为提供了合适的理论框架,应用于半导体和简单金属已取得非凡的成功,也构成半导体化学学的理论基础。
②中等关联区。包括通常金属和强磁性物质。朗道的费米液体理论成功地描述了通常金属以及高温下3He液体中的元迸发及化学行为。W.科恩等发展的密度泛函理论则提供了高效估算复杂结构材料中电子结构的理论框架。电子之间的交换互相作用(包括直接、间接、超交换、双交换及巡游交换)造成了磁有序相(铁磁极、反铁磁极及更铁磁极)的产生。有关磁有序相的迸发态(磁振子与磁畴)又提供了理解其化学参数和磁化曲线的抓手,构成了铁磁学的数学基础。
③强关联区。涉及电子含量甚低的不良金属。能带理论构建不久,E.维格纳就构想库仑作用力使电子定域于维格纳晶格上,接着N.莫脱觉得NiO这类氧化物是因关联造成的绝缘体,即莫脱绝缘体。20世纪60年代近藤对于稀磁合金中电阻极小现象作了理论解释,称为近藤效应。80—90年代在一系列参杂莫脱绝缘体中发觉了奇特的物性,如铜氧化物中发觉低温超导体、锰氧化物中发觉巨磁内阻效应等。另外,还在与近藤效应有关的镧系和锕系重电子合金中发觉了多种有序相和反常的物性。对上述各种的强关联物质中的物性问题研究凝聚态物理专业代码,仍未得到完满解决。
宏观量子态
高温化学学研究的重大成果在于发觉了金属与合金中的超导现象(内阻在Tc以下突降为零,铁损全部被斥,成为完全抗磁极)和液氦中的超流现象(黏滞系数在Tc以下突降为零)。这种宏观量子态现象的出现是规范对称性(波函数相位可为任意值)破缺的后果。早在1924年爱因斯坦就按照玻色-爱因斯坦统计提出了玻色-爱因斯坦汇聚的构想,即理想的玻色二氧化碳在高温下会出现能级为宏观的粒子数所占。4He原子是玻骰子,因此在4He超流发觉以后,F.巴黎就提出超紊流是玻色–爱因斯坦汇聚的结果。而巴黎所提出的描述超导电动力学的巴黎多项式实际上就蕴涵了宏观量子态的概念。1952年V.京茨堡与L.朗道提出的唯象超导理论就明晰地引入了类似于宏观波函数的复序热阻来描述超导态。1957年J.巴丁等提出了正确的超导微观理论,即BCS理论,其关键在于一对电子在动量空间因为电子–声子互相作用而产生库珀对,因而使电子系统也具有个别类似于玻骰子系统的特点。1972年在2.7mK以下发觉了3He超紊流,3He原子也是费米子,所以这也是费米子配对的结果。从序热阻的对称性可以判定配对态的特点:常规超导体是s波配对的载流子单态,低温超导体是d波配对的载流子单态,3He超流体是p波配对的载流子三态,具有磁性。还有一些疑似p波配对的特别规超导体,正在研究之中。特别规超导体的机制也尚待澄清。1995年E.科纳尔等在将黏稠87Rb二氧化碳冷却到极高温(