石 鋒，韓秀君，張靈翠，徐 越，張川江

齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250353

目 錄

I.固體物理學(xué)概述 170

II.固體物理學(xué)萌芽階段 170

III.晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)的研究歷程 171

IV.固體的熱性質(zhì)研究 172

V.魏德曼–弗蘭茲定律 173

VI.固體的X射線衍射研究 173

VII.自由電子氣體模型 174

VIII.固體能帶論 174

IX.晶格動(dòng)力學(xué)理論 176

X.對(duì)固體磁性的研究—— 經(jīng)典時(shí)代 176

XI.對(duì)固體磁性的研究—— 量子時(shí)代 177

XII.對(duì)固體磁性的研究 實(shí)——用化階段 179

XIII.信息時(shí)代—— 半導(dǎo)體技術(shù) 179

XIV.信息時(shí)代—— 超導(dǎo)技術(shù) 180

XV.中國(guó)固體物理學(xué)的發(fā)展 181

XVI.固體物理學(xué)教材 182

致 謝 183

參考文獻(xiàn) 183

I.固體物理學(xué)概述

自人類(lèi)誕生以來(lái)，接觸到最多的物質(zhì)就是固體；自然界中90%以上的物質(zhì)是固態(tài)。在不同固體中，粒子之間存在眾多各具特點(diǎn)的耦合方式，導(dǎo)致粒子具有特定的集體和個(gè)體運(yùn)動(dòng)形式，造成千差萬(wàn)別的物理性質(zhì)。所以，固體物理學(xué)實(shí)際上所面對(duì)的是多體問(wèn)題；它是研究固體的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)以及固體中各種粒子運(yùn)動(dòng)形態(tài)和規(guī)律和它們相互關(guān)系的學(xué)科，是物理學(xué)中內(nèi)容極豐富、應(yīng)用極廣泛的分支學(xué)科，也可以說(shuō)是理論物理基礎(chǔ)之上的普通物理。

固體物理學(xué)涉及到晶體學(xué)物理、金屬物理、半導(dǎo)體物理、相變物理、電介質(zhì)物理、磁性物理、低溫物理、高壓物理、超導(dǎo)體物理、表面物理、納米電子學(xué)等等各分支，是理解物體導(dǎo)電、發(fā)光、發(fā)熱、超導(dǎo)、磁性等物理性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是微電子技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)、能源技術(shù)、材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)。固體物理學(xué)的理論成就和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)化學(xué)物理、催化、生命科學(xué)、地學(xué)等的影響日益增長(zhǎng)，正在形成新的交叉領(lǐng)域[1]。

II.固體物理學(xué)萌芽階段

固體物理學(xué)是在人類(lèi)認(rèn)識(shí)大自然的過(guò)程中自然而然形成的。從原始社會(huì)的石頭，到后來(lái)的青銅器和鐵器，人類(lèi)對(duì)固態(tài)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深，從本能的認(rèn)知逐步過(guò)渡到理論研究。17世紀(jì)，荷蘭物理學(xué)家惠更斯(C.Huygens)利用橢球堆積模型解釋方解石的雙折射性質(zhì)和解理面[2]。1669年，丹麥解剖學(xué)和地質(zhì)學(xué)的先驅(qū)斯丹諾(N.Steno)研究石英后發(fā)現(xiàn)石英晶面之間的夾角是不變的，從而揭示了晶面角守恒定律(1669)，這是晶體學(xué)中最重要的定律之一[1]。1784年，法國(guó)科學(xué)家阿羽依(R.J.Haüy)通過(guò)研究方解石，認(rèn)為晶體由一些堅(jiān)實(shí)、相同的平行六面形的“小基石”有規(guī)則地重復(fù)堆集而成，由此提出了著名的晶胞學(xué)說(shuō)，使人類(lèi)對(duì)晶體的認(rèn)識(shí)邁出了一大步。阿羽依被公認(rèn)為是現(xiàn)代礦物學(xué)的創(chuàng)建者，以其名字命名的阿羽依定律又稱有理指數(shù)定律，是關(guān)于單晶體外形晶面的一條實(shí)驗(yàn)定律：任意晶面在適當(dāng)選擇的三維坐標(biāo)軸上的截距都是有理數(shù)；它反映了晶體原子排列的周期性[1]。

III.晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)的研究歷程

1830年，德國(guó)科學(xué)家赫賽爾(J.F.C.Hessels)推導(dǎo)出固體材料存在32種點(diǎn)群。1848年，法國(guó)科學(xué)家布拉維(A.Bravais)提出一切可能的不同空間格子型式只有14種，修正了德國(guó)學(xué)者弗蘭肯海姆(M.L.Frangenheim)關(guān)于晶體內(nèi)部空間格子排列型式有15種的結(jié)論，這14種空間格子被稱為布拉維晶格。目前這14中布拉維空間格子成了經(jīng)典，至今150余年一直巋然不動(dòng)；對(duì)當(dāng)代固體物理和材料物理等相關(guān)專(zhuān)業(yè)影響甚大。他首次將群的概念應(yīng)用到物理學(xué)，為固體物理學(xué)做出了奠基性的貢獻(xiàn)；1850～1851年，布拉維(A.Bravais)發(fā)展了空間點(diǎn)陣學(xué)說(shuō)，概括了晶格周期性的特征，提出了實(shí)際晶體晶形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。此外他還創(chuàng)建了六方系晶體和三方系晶體的定向方向，稱之為布拉維定向，相應(yīng)的晶面指數(shù)被稱為布拉維–密勒指數(shù)。

1890～1894年，俄國(guó)晶體學(xué)家費(fèi)多羅夫(E.C.Fedorov)、德國(guó)科學(xué)家熊夫利斯(A.M.Schoenfilies)、英國(guó)科學(xué)家巴羅(W.Barllow)等獨(dú)立地發(fā)展了關(guān)于晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)的理論體系，為進(jìn)一步研究晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律提供了理論依據(jù)。他們利用32種點(diǎn)群與三維空間平移對(duì)稱性組合的方式，各自獨(dú)立完成了230種空間群的推導(dǎo)工作。

空間點(diǎn)陣是認(rèn)識(shí)晶體結(jié)構(gòu)基本特征的關(guān)鍵之一，用它可以方便而又清楚地說(shuō)明晶體的微觀結(jié)構(gòu)在宏觀中所表現(xiàn)出的面角守恒、有理指數(shù)等定律以及X射線衍射的幾何關(guān)系。后來(lái)的玻恩(M.Born)[3]、卡門(mén)(T.V.Kármán))[4]、布里淵(L.N.Brillouin)和維格納(E.P.Wigner)[5]也都對(duì)空間點(diǎn)陣研究做出了巨大貢獻(xiàn)。

在討論晶格振動(dòng)和晶體中的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通常采用周期性邊界條件來(lái)處理實(shí)際有限晶體的問(wèn)題。周期性邊界條件得到的解是行波解，其結(jié)果是晶格振動(dòng)狀態(tài)和晶體中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的“量子化”，并提供了對(duì)晶格振動(dòng)的頻率分布函數(shù)和晶體中電子能級(jí)密度計(jì)算的基礎(chǔ)，因此它們?cè)诠腆w物理學(xué)中占有十分重要的地位[6]。

玻恩還創(chuàng)立了基于點(diǎn)陣能簡(jiǎn)單計(jì)算化學(xué)能的方法，這一方法為科學(xué)家廣泛使用。其反響令玻恩感慨：“這個(gè)淺顯的應(yīng)用給我?guī)?lái)的榮譽(yù)卻超過(guò)點(diǎn)陣?yán)碚摫旧?，或者超過(guò)我的任何其他研究?；蛟S科學(xué)界是對(duì)的，在需要的時(shí)候取得一些看似不重要的瑣碎貢獻(xiàn)，要比參與一次哲學(xué)革命困難得多，也重要得多”。

美籍法裔物理學(xué)家布里淵1922年提出了布里淵散射[7]，可以研究氣體、液體和固體中的聲學(xué)振動(dòng)；固體物理學(xué)中的概念布里淵區(qū)和硅基布里淵激光器也以他的名字命名。1930年，他首先提出用倒易（倒格子）點(diǎn)陣矢量的中垂面來(lái)劃分波矢空間的區(qū)域，定義了倒易空間中的一個(gè)區(qū)域—— 布里淵區(qū)；各布里淵區(qū)體積相等，都等于倒易點(diǎn)陣的原胞體積。

布里淵區(qū)的形狀取決于晶體所屬布拉菲點(diǎn)陣的類(lèi)型，即與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。簡(jiǎn)單立方、體心立方和面心立方點(diǎn)陣的簡(jiǎn)約區(qū)分別為立方體，菱十二面體和截角八面體（由6個(gè)正方形和8個(gè)正六邊形構(gòu)成的14面體）；后者的典型代表材料是金剛石結(jié)構(gòu)的Si、Ge和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的III-V族半導(dǎo)體。

1933年，美籍匈牙利物理學(xué)家維格納及其學(xué)生塞茲(F.Seitz)[8]，在計(jì)算晶體電子的能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，共同提出了固體物理學(xué)中的一個(gè)重要概念：維格納–塞茨(Wigner-Seitz)原胞，簡(jiǎn)稱W-S原胞，是晶格中比較對(duì)稱的一種原胞，其構(gòu)成方法是以一個(gè)格點(diǎn)為原點(diǎn)，做出其與最近格點(diǎn)和次近格點(diǎn)連線的中垂面，這些中垂面所包圍的空間為維格納–塞茨原胞。W-S原胞與固體物理學(xué)原胞（不是結(jié)晶學(xué)原胞即晶胞）具有相同的體積,并且也只包含一個(gè)格點(diǎn)，它與布拉菲格子具有相同的對(duì)稱性，故也稱為對(duì)稱化原胞。晶體的倒格子與其正格子具有相同的對(duì)稱性；在倒格子空間中的W-S原胞，也就是晶體中的晶體格波和電子的簡(jiǎn)約布里淵區(qū)。

在波矢空間中取某一倒易陣點(diǎn)為原點(diǎn)，作所有倒易點(diǎn)陣矢量的垂直平分面，這些面波矢空間劃分為一系列的區(qū)域：最靠近原點(diǎn)的一組面所圍的閉合區(qū)稱為第一布里淵區(qū)；第一布里淵區(qū)即為動(dòng)量空間中晶體倒易點(diǎn)陣的W-S原胞。以此類(lèi)推，可得到其他第二、三、四等布里淵區(qū)；各布里淵區(qū)體積相等，都等于倒易點(diǎn)陣的元胞體積。布里淵區(qū)和W-S原胞概念的提出對(duì)于在理論上描述固體的空間點(diǎn)陣具有十分重要的作用和價(jià)值。

1934年，維格納還通過(guò)對(duì)電子氣的計(jì)算表明，當(dāng)電子密度十分低時(shí)，點(diǎn)針狀的分布比均勻分布具有更低的能量，所以預(yù)言在低溫、低密度下可以出現(xiàn)電子晶體，這種晶體即被稱為維格納晶體或者維格納點(diǎn)陣。1979年，格里姆斯(C.C.Grimes)等首先在極低溫度下的液氮表面吸附的單層電子中證實(shí)了維格納晶體的存在，這是二維的點(diǎn)陣；三維點(diǎn)陣還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

IV.固體的熱性質(zhì)研究

隨后，人們開(kāi)始深入認(rèn)識(shí)固體物質(zhì)的性質(zhì)。在道爾頓的現(xiàn)代原子論問(wèn)世后不久，1819年，法國(guó)科學(xué)家杜隆(P.L.Dulong)和珀替(A.T.Petit)測(cè)定了許多單質(zhì)的比熱容之后，1819年提出了杜隆–珀替經(jīng)驗(yàn)定律，是物理學(xué)中描述結(jié)晶態(tài)固體由于晶格振動(dòng)而具有的比熱容的經(jīng)典定律，即Cv=3R（Cv為定容比熱），現(xiàn)在表述為：固態(tài)元素相對(duì)原子質(zhì)量與比熱容之乘積為一常數(shù)，約等于25 J·mol?1·K?1；首次揭示了宏觀物理量比熱容與微觀粒子數(shù)之間的直接聯(lián)系[9]。這個(gè)定律雖然只能確定原子量的約值，但它為統(tǒng)一原子量提供了獨(dú)特的信息；而正確的原子量是發(fā)現(xiàn)元素周期律的依據(jù)，故該定律起過(guò)重要的歷史作用。盡管杜隆–珀替定律形式極為簡(jiǎn)單，但它多數(shù)晶體在高溫下熱容的描述仍是十分精確的。在低溫下，由于量子效應(yīng)逐漸明顯，本定律不再適用。1864年，化學(xué)家柯普(H.F.M.Kopp)將這一定律推廣到化合物，解釋了1832年紐曼(F.E.Neumann)的分子熱定律[10]。

1872年，韋伯（H.F.Weber,蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)物理教授，曾教過(guò)愛(ài)因斯坦)、1905年杜瓦（J.Dewar,低溫物理學(xué)奠基人）先后發(fā)現(xiàn)了違反杜隆–珀替定律(Dulong-Petit law)的物質(zhì)，如Si、Ge和金剛石等。該理論不涉及原子的振動(dòng)頻率，任何晶體的比熱容只決定于系統(tǒng)的自由度而與溫度無(wú)關(guān)；因此不能解釋在低溫下，比熱容隨溫度降低而減小的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。實(shí)際上，由于該定律過(guò)于簡(jiǎn)單，超過(guò)某一溫度范圍，它對(duì)任何材料都不能給出正確結(jié)果。

現(xiàn)在我們知道，固體熱容的貢獻(xiàn)主要有兩部分：一是來(lái)源于晶格振動(dòng)（聲子），稱為晶格熱容；一是來(lái)源于電子的熱運(yùn)動(dòng)，稱為電子熱容。除非在很低溫，電子熱運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)往往很小。也就是說(shuō)，晶格振動(dòng)的研究始于固體熱容研究；這里除了玻恩等人之外，我們不得不提及蘇聯(lián)著名物理學(xué)家朗道(L.D.Landau)，他率先在固體物理學(xué)研究中引入了聲子的概念。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為晶格是靜止的；靜止晶格的模型對(duì)于解釋主要由導(dǎo)電電子決定的平衡態(tài)性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)方面相當(dāng)成功，但由于不知道晶體原子不是靜止?fàn)顟B(tài)，而是在作熱運(yùn)動(dòng)，不了解晶格振動(dòng)在熱性質(zhì)中的作用，沒(méi)有考慮聲子的散射，所以無(wú)法解釋眾多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無(wú)法解釋熱導(dǎo)和電導(dǎo)。

開(kāi)創(chuàng)了固體比熱容[11,12]量子理論先河的科學(xué)家是曾接受過(guò)韋伯指導(dǎo)的愛(ài)因斯坦(A.Einstein)，他首先研究了固體的比熱容理論。隨后開(kāi)展研究的是美籍荷蘭人德拜(P.J.W.Debye)，他也在固體物理學(xué)的發(fā)展中做出了突出貢獻(xiàn)，很多固體物理學(xué)的名詞術(shù)語(yǔ)，如德拜模型、德拜溫度、德拜半徑、德拜頻率、德拜晶體衍射圖和德拜球等都以他的名字命名。

1906年11月，愛(ài)因斯坦基于“能量是量子化的”思想，完成固體比熱的論文《普朗克的輻射和比熱理論》，引進(jìn)量子化的概念處理固體中原子的晶格振動(dòng)，提出了固體比熱容量子理論的愛(ài)因斯坦模型，解釋了固體熱容為什么會(huì)隨溫度降低而下降的現(xiàn)象，從而推動(dòng)了固體原子振動(dòng)的研究。德國(guó)物理學(xué)家能斯特(W.Nernst)及其學(xué)生林德曼(F.Lindemann)對(duì)該理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和大力宣傳；1910年，林德曼發(fā)展了愛(ài)因斯坦的比熱理論，并根據(jù)物質(zhì)的熔點(diǎn)溫度、分子量和密度計(jì)算原子振動(dòng)頻率，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所得光學(xué)吸收頻率相符。但該理論的缺點(diǎn)是在極低溫度下理論值與實(shí)驗(yàn)值不一致。為此，能斯特和林德曼對(duì)愛(ài)因斯坦模型做了簡(jiǎn)單的改進(jìn)，提出了經(jīng)驗(yàn)公式，是對(duì)愛(ài)因斯坦理論的重要補(bǔ)充。事實(shí)上，愛(ài)因斯坦也知道，為了簡(jiǎn)化計(jì)算而對(duì)晶格振動(dòng)采用單一頻率，會(huì)不可避免地造成理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分歧。

玻恩和卡門(mén)提出的周期性邊界條件這一結(jié)論對(duì)于固體熱性質(zhì)的研究甚至晶格振動(dòng)的研究都十分關(guān)鍵，但當(dāng)時(shí)卻被忽視了23年之久；原因在于德拜其后提出了更加簡(jiǎn)單高效的德拜模型（彈性波近似），很好的說(shuō)明當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1912年，德拜發(fā)表了一篇《關(guān)于比熱容理論》的論文，把晶格振動(dòng)的簡(jiǎn)正?？闯蛇B續(xù)的各向同性介質(zhì)中的波，把晶格當(dāng)成彈性介質(zhì)處理，而不是集中在一些分立格點(diǎn)上振動(dòng)的波?？紤]熱容應(yīng)是原子的各種頻率振動(dòng)貢獻(xiàn)的總和，提出了著名的德拜模型，得出在常溫時(shí)服從杜隆–珀替定律，在溫度T→0時(shí)和T3成正比的正確比熱容公式。

他引進(jìn)了德拜溫度ΘD的概念；這是固體的一個(gè)重要物理量，來(lái)源于固體的原子熱振動(dòng)理論，對(duì)應(yīng)于晶格振動(dòng)的最高頻率。德拜考慮到固體中有駐波，而且各原子的振動(dòng)幅度由該原子在駐波中的位置決定，即每種物質(zhì)都有自己的德拜溫度ΘD；不僅反映晶體點(diǎn)陣的畸變程度，還是該物質(zhì)原子間結(jié)合力的表征，實(shí)際上是晶體結(jié)合最強(qiáng)鍵合的反映。物質(zhì)的許多物理量都與它有關(guān)系，如彈性、硬度、熔點(diǎn)和比熱等；材料原子健結(jié)合力越強(qiáng)，德拜溫度越高；這一理論推翻了愛(ài)因斯坦理論中分界溫度恒定的說(shuō)法。當(dāng)溫度遠(yuǎn)高于德拜溫度時(shí)，固體的熱容遵循經(jīng)典規(guī)律，即符合杜隆–珀替定律。

德拜模型揭去了低溫?zé)崛輪?wèn)題的面紗[12]，理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的矛盾終于得到了化解，這一模型是固體物理中的經(jīng)典模型，是教材中的必學(xué)內(nèi)容。德拜模型雖然表面上不如玻恩和卡門(mén)模型，但由于德拜模型簡(jiǎn)潔有效，實(shí)際上更加成功；但后來(lái)更為精確的測(cè)量卻表明了德拜模型的不足：德拜模型對(duì)晶體低溫?zé)崛菝枋龅妮^好，但該模型在中間溫度卻不太準(zhǔn)確。

V.魏德曼–弗蘭茲定律

1853年，德國(guó)物理學(xué)家魏德曼(G.H.Wiedemann)和弗蘭茲(R.Franz)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了魏德曼–弗蘭茲定律（Wiedemann-Franz law），是關(guān)于金屬材料熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率之間的關(guān)系的定律。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律描述為：在不太低的溫度下，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)與電導(dǎo)率之比正比于溫度，其中比例常數(shù)的值不依賴于具體的金屬。即自由電子引起的熱導(dǎo)率可以通過(guò)電導(dǎo)率，利用魏德曼–弗蘭茲定律得到。這個(gè)定律表明，由于電子同時(shí)作為電流和能量流（熱流）的載流子，電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率之間就必然存在一定的相互關(guān)系。丹麥物理學(xué)家洛倫茲(L.W.Lorentz)于1872年發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)了κ/σ與溫度的比例關(guān)系，這個(gè)比例常數(shù)的數(shù)值，稱為洛倫茲數(shù)。

此后，由于20世紀(jì)初量子理論的發(fā)展，正確描述了晶體內(nèi)部微觀粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程，故而帶動(dòng)了固體物理學(xué)的發(fā)展。1927年，偉大的物理教師、德國(guó)著名物理學(xué)家索末菲利(A.Sommerfeld)用量子理論推導(dǎo)出了魏德曼–弗蘭茲定律的具體公式：2.44×10?8V2·K?2，其中κ是材料熱導(dǎo)率；σ是材料電導(dǎo)率；是玻爾茲曼常kB數(shù)，e是電子電荷，T是絕對(duì)溫度，L0是洛倫茲數(shù)[13]。

塊狀金屬材料在常溫常壓下，其電阻正比于T2，所以這個(gè)定律一直以來(lái)都被認(rèn)為是正確的。但隨著研究的深入，多個(gè)證據(jù)表明，無(wú)論高溫低溫材料的洛倫茲常數(shù)都有可能偏離魏德曼–弗蘭茲定律[14,15]，特別是在金屬–絕緣轉(zhuǎn)變系統(tǒng)以及電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系等；這種偏離來(lái)可能自于電子受到聲子的非彈性散射（對(duì)電阻的貢獻(xiàn)不止電子），也可能是由于離子電導(dǎo)對(duì)電阻的貢獻(xiàn)。

尤其是在溫度較低時(shí)，這種偏離更明顯，洛倫茲常數(shù)嚴(yán)重依賴于溫度。這主要是由于我們假定了電導(dǎo)過(guò)程和熱導(dǎo)過(guò)程有相同的弛豫時(shí)間，發(fā)生的都是彈性散射所引起的。由于在溫度小于德拜溫度時(shí)，非彈性散射變得重要起來(lái)，這種散射對(duì)于電導(dǎo)率影響不大，但是，對(duì)于熱導(dǎo)率有很大的影響。所以，魏德曼–弗蘭茲定律在較低的溫度下不成立會(huì)更加顯著。應(yīng)韜等人就驗(yàn)證了魏德曼–弗蘭茲定律在純鎂和二元鎂合金低溫區(qū)的不適用性，提出了新的表達(dá)公式[16]。

近百年來(lái)人們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)洛倫茲常數(shù)在較高溫度偏離的主要原因在于，那時(shí)研究的都是塊狀材料而沒(méi)有研究低維度的材料[14,15]，也沒(méi)有了解到相轉(zhuǎn)變和強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中的非彈性散射和離子電導(dǎo)的貢獻(xiàn)。洛倫茲常數(shù)也許和幾何維度以及幾何結(jié)構(gòu)等因素有一定關(guān)系。

VI.固體的X射線衍射研究

玻恩創(chuàng)立點(diǎn)陣?yán)碚摵蟛痪茫?912年，德國(guó)物理學(xué)家、普朗克的學(xué)生同時(shí)也是愛(ài)因斯坦好友的勞厄(M.V.Laue)[17]就在該領(lǐng)域做出了突破性的貢獻(xiàn)–發(fā)現(xiàn)了X射線通過(guò)晶體時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，發(fā)表了《X射線的干涉現(xiàn)象》一文。

X射線衍射對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)試工作為在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)電子的波動(dòng)性奠定了基礎(chǔ)，證實(shí)了空間點(diǎn)陣和空間群理論的正確性。勞厄圖樣、勞厄法、勞厄方程都以他的名字命名。這是固體物理學(xué)中具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)：“使物理學(xué)中關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和研究領(lǐng)域從客觀進(jìn)入微觀，從經(jīng)典過(guò)渡到現(xiàn)代，發(fā)生了質(zhì)的飛躍?！睂?duì)此后的物理學(xué)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，從此，人們可以通過(guò)觀察衍射花紋研究晶體的微觀結(jié)構(gòu)，并且對(duì)生物學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展都起到了巨大的推動(dòng)作用。勞厄也被稱為X射線衍射動(dòng)力學(xué)理論發(fā)現(xiàn)者和X射線衍射晶體學(xué)之父。

如果說(shuō)勞厄發(fā)現(xiàn)了X線在晶體中的衍射，從而證明了X射線的波動(dòng)特性，那么，利用X射線系統(tǒng)地探測(cè)晶體結(jié)構(gòu)，則應(yīng)歸功于英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子。布拉格這個(gè)名字幾乎是現(xiàn)代結(jié)晶學(xué)的同義詞；奠定了現(xiàn)代固體物理學(xué)尤其是晶體學(xué)的理論根基。亨利·布拉格(W.H.Bragg)和勞倫斯·布拉格(W.L.Bragg)父子二人在使用X射線衍射研究晶體原子和分子結(jié)構(gòu)方面作出開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)[17]。

1912～1914年，兒子勞倫斯·布拉格首先提出了關(guān)鍵性的“布拉格方程”，清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成，證明能夠用X射線來(lái)獲取關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息。隨后父親亨利·布拉格造出X射線攝譜儀，并做了一系列有獨(dú)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)，證明了兒子勞倫斯的理論，創(chuàng)立了用X射線分析晶體結(jié)構(gòu)的新學(xué)術(shù)領(lǐng)域，并測(cè)試了多種物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。1915年布拉格父子二人被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

著名的布拉格方程2dsinθ=nλ描述了X射線在晶體中的衍射規(guī)律——X射線的波長(zhǎng)(λ)、入射角(θ)以及晶面間距(d)之間的基本關(guān)系，是晶體衍射的理論基礎(chǔ)。它給出了受到電磁輻射和粒子波照射時(shí)，晶體內(nèi)原子平面間隔與在該平面上產(chǎn)生最強(qiáng)反射的入射角之間的關(guān)系，根據(jù)這個(gè)方程，人們可以利用已知波長(zhǎng)的X射線去照射未知結(jié)構(gòu)的晶體，通過(guò)衍射圖樣來(lái)揭示晶體的結(jié)構(gòu)；或者利用結(jié)構(gòu)已知的晶體來(lái)反射X射線，以求得X射線的波長(zhǎng)?，F(xiàn)在從事材料科學(xué)與工程、材料物理、機(jī)械工程以及化學(xué)材料等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生或者學(xué)者，進(jìn)行材料的晶體結(jié)構(gòu)分析最主要的手段就是X射線衍射；就是利用了著名的布拉格公式。

德拜[18]1916年和自己的研究生謝樂(lè)(P.Scherrer)一起發(fā)展了勞厄用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)的方法（德拜–謝樂(lè)法,Debye-Scherrer Method），采用粉末狀的晶體代替較難制備的大塊晶體；粉末狀晶體樣品經(jīng)X射線照射后在照相底片上可得到同心圓環(huán)的衍射圖樣（德拜–謝樂(lè)環(huán)），它可用來(lái)鑒定樣品的成分，并可決定晶胞大小，適用于多晶樣品的結(jié)構(gòu)測(cè)定。德拜通過(guò)X射線研究分子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)十分完美地證實(shí)了化學(xué)家們所確信的觀點(diǎn)—— 即結(jié)構(gòu)式實(shí)際上代表了分子中原子的空間排布，而這一空間排布是與性質(zhì)相對(duì)應(yīng)的，并且為衍射儀的制造奠定了基礎(chǔ)。后來(lái)還制成德拜相機(jī)，用來(lái)研究不同物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。德拜相機(jī)作為研究晶體結(jié)構(gòu)的基本儀器，廣泛運(yùn)用于冶金化工、地質(zhì)及工礦企業(yè)，目前很多大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室仍用德拜相機(jī)做晶體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。

VII.自由電子氣體模型

1900年，英國(guó)物理學(xué)家特魯?shù)?P.Drude)首先借助理想氣體模型，建立了經(jīng)典的金屬自由電子氣體模型。實(shí)際上使金屬中的自由電子變成了理想氣體中的粒子，借用已有的熱力學(xué)規(guī)律就可以定性解釋金屬的一些性質(zhì)，特別是電子在金屬中的輸運(yùn)性質(zhì)，對(duì)固體認(rèn)識(shí)進(jìn)入一個(gè)新的階段；也證明了其在定性方面是正確的。但是由于采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)，電子的比熱被高估了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致熱電動(dòng)勢(shì)（即溫差電現(xiàn)象的系數(shù)）被高估，定量計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果不符，不能解釋金屬的高電導(dǎo)率以及材料的各向異性問(wèn)題；另外，特魯?shù)履Ｐ蜔o(wú)法描述磁電阻效應(yīng)。

1904 年，荷蘭著名物理學(xué)家洛倫茲 (H.A.Lorentz)[19]發(fā)展了特魯?shù)碌睦碚摗ＫJ(rèn)為金屬中電子的運(yùn)動(dòng)速度服從麥克斯韋–玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)(Boltzmann-Maxwell statistics)規(guī)律，從微觀上定性的解釋了金屬的高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、霍爾效應(yīng)以及某些光學(xué)性質(zhì)。洛倫茲指出特魯?shù)履Ｐ椭袩釋?dǎo)率的處理剛好有兩個(gè)100倍的因子相互抵消，證明了電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率之間的線性關(guān)系：魏德曼–弗蘭茲定律。至少洛倫茲數(shù)的量級(jí)是對(duì)的。

但由于洛倫茲修正后的特魯?shù)篓C洛倫茲模型(Drude-Loretz model)采納經(jīng)典力學(xué)框架內(nèi)的玻爾茲曼–麥克斯韋統(tǒng)計(jì)，存在較大的不足之處，比如高估了電子氣對(duì)熱容的貢獻(xiàn)，實(shí)際值是理論值的百分之一。還有，根據(jù)這個(gè)理論得出的自由電子的順磁磁化率和溫度成正比，但實(shí)驗(yàn)證明，自由電子的順磁磁化率幾乎與溫度無(wú)關(guān)。

20多年后，費(fèi)米(E.Fermi)和狄拉克(P.A.M.Dirac)分別發(fā)展了統(tǒng)計(jì)理論，最終于1926年建立了費(fèi)米–狄拉克統(tǒng)計(jì)(Fermi–Dirac statistics)，為以后研究晶體中電子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程指出了方向。1927～1928年，索末菲基于量子思想[20]，在費(fèi)米–狄拉克統(tǒng)計(jì)分布的基礎(chǔ)上，建立了索末菲模型(Sommerfeld model)來(lái)描述金屬電子的運(yùn)動(dòng)，發(fā)展了洛倫茲的經(jīng)典電子論，使得經(jīng)典的電子氣變成了量子的費(fèi)米電子氣；求得電子氣的比熱容和輸運(yùn)現(xiàn)象，成功解釋了金屬特有的良好導(dǎo)熱性質(zhì)，對(duì)溫差電和金屬導(dǎo)電的研究也很有價(jià)值。索末菲模型對(duì)于理解金屬尤其是一價(jià)金屬的物理本質(zhì)方面也取得了巨大的成功。該理論解決了經(jīng)典理論的困難，目前仍舊是固體物理教科書(shū)中的經(jīng)典理論。

經(jīng)典的特魯?shù)篓C洛侖茲模型和索末菲模型均能解釋維德曼–夫蘭茲定律，但是索末菲(A.Sommerfeld)的理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)符合的更好，說(shuō)明索末菲模型在定量上要好于經(jīng)典的特魯?shù)篓C洛侖茲模型。但對(duì)于物質(zhì)為什么會(huì)分為導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體以及半金屬等，索末菲模型根本無(wú)法解釋?zhuān)瑢?duì)于許多物理量所顯示的各向異性的解釋也顯得無(wú)能為力，根本原因是金屬自由電子氣體模型過(guò)于簡(jiǎn)單。另外，泡利(W.E.Pauli)對(duì)基于費(fèi)米–狄拉克統(tǒng)計(jì)的自由電子理論也做出了貢獻(xiàn)，形成能帶論的先導(dǎo)，這主要是泡利不相容原理的功勞。

VIII.固體能帶論

20世紀(jì)20年代末，固體物理學(xué)開(kāi)始成為物理學(xué)的一分支學(xué)科。30年代，它以量子力學(xué)為基礎(chǔ)蓬勃發(fā)展起來(lái)。固體能帶論就是基于晶體結(jié)構(gòu)的平移對(duì)稱性，考慮離子實(shí)勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的影響而建立起來(lái)的一套理論。能帶理論的三個(gè)基本假設(shè)：絕熱近似、平均場(chǎng)近似、周期場(chǎng)近似。其中，玻恩和原子彈之父奧本海默(J.R.Oppenheimer)對(duì)絕熱近似做出了貢獻(xiàn)，故絕熱近似也叫做玻恩–奧本海默近似(Born-Oppenheimer approximation)[21]。能帶理論是目前研究固體中的電子狀態(tài)，說(shuō)明固體性質(zhì)最重要的理論基礎(chǔ)。

提及能帶理論，一個(gè)不可或缺的人物就是布洛赫(F.Bloch)[22]。1928年，布洛赫從量子力學(xué)出發(fā)，研究周期場(chǎng)中電子的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，主要解釋固體中電子在金屬晶格中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其描述，為后來(lái)的能帶理論及核磁共振現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。布洛赫認(rèn)為，電子在晶體中的運(yùn)動(dòng)，可以看成是自由電子在嚴(yán)格的原子周期勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，而原子周期勢(shì)場(chǎng)是按照一定的規(guī)律起伏的。布洛赫將傅里葉分析方法用于薛定諤方程，再進(jìn)行一些近似和簡(jiǎn)化，得到了一個(gè)比較滿意的結(jié)果。

為此，他提出了布洛赫定理(Bloch theorem)：當(dāng)勢(shì)場(chǎng)具有晶格周期性時(shí)，其中的粒子所滿足的波動(dòng)方程的解的性質(zhì)被稱為布洛赫定理，該定理指出了在周期場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子波函數(shù)的特點(diǎn)。布洛赫定理給出了嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)中單電子薛定諤方程的本征解是周期性調(diào)幅的平面波，它既不被散射也不衰減；除非晶體存在雜質(zhì)、缺陷或晶格振動(dòng)等破壞周期勢(shì)的因素，否則沒(méi)有電阻產(chǎn)生。

布洛赫定理表明，在不同原胞的對(duì)應(yīng)點(diǎn)上，波函數(shù)相差一個(gè)相位因子，且電子出現(xiàn)的概率是相同的。他給出了嚴(yán)格的周期勢(shì)場(chǎng)中單電子波函數(shù)和能譜的普遍規(guī)律，提出了研究晶格中電子運(yùn)動(dòng)的方程—— 布洛赫方程，這是他最重要的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。將晶體勢(shì)能函數(shù)寫(xiě)成滿足周期性邊界條件的周期函數(shù)，并帶入薛定諤方程，即得到晶體能帶結(jié)構(gòu)中重要的布洛赫定理的證明。可以說(shuō)，能帶理論是從周期性勢(shì)場(chǎng)中推導(dǎo)出來(lái)的。

1928年提出布洛赫波的概念，即周期性勢(shì)場(chǎng)中電子的波函數(shù)，又名布洛赫態(tài)；由一個(gè)平面波和一個(gè)周期函數(shù)（布洛赫波包）相乘得到。更廣義地，布洛赫波[23]可用于描述周期性介質(zhì)中的任何“類(lèi)波動(dòng)現(xiàn)象”，譬如周期介電性介質(zhì)（光子晶體）中的電磁現(xiàn)象；周期彈性介質(zhì)（聲子晶體）中的聲波等。

布洛赫波函數(shù)是在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子的薛定諤方程的解，是一種調(diào)幅平面波，是比自由電子波函數(shù)更接近實(shí)際情況的波函數(shù)；反映了晶體電子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，即其中的指數(shù)部分反映了晶體電子的共有化運(yùn)動(dòng)，而其中的晶格周期函數(shù)部分反映了晶體電子圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)。此外，布洛赫電子、布洛赫球、布洛赫振蕩以及描述光場(chǎng)與二能級(jí)原子相互作用的麥克斯韋–布洛赫方程(Maxwell-Bloch Equations)都以他的名字命名[24]。

布洛赫的理論描述了晶體中電子的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，帶來(lái)了能帶理論以及其后的能帶工程，為人類(lèi)設(shè)計(jì)新材料和改造世界奠定了理論基礎(chǔ)。英國(guó)化學(xué)家威爾遜(C.T.R.Wilson)主張晶體中電子的可能能級(jí)會(huì)分裂成能帶，不同晶體的能帶數(shù)目及寬度都不相同。由于固體中原子數(shù)N很大，電子的能量是不連續(xù)的，因而N個(gè)分裂的能級(jí)差值極小。在某些能量區(qū)間能級(jí)分布是準(zhǔn)連續(xù)的，以至于可以視為連續(xù)分布，形成具有一定寬度的能帶，這些區(qū)間在能級(jí)圖中表現(xiàn)為帶狀（能量的允帶）。在某些區(qū)間沒(méi)有能級(jí)分布，形成能量的禁帶，即能帶論是單電子近似的理論。用這種方法求出的電子能量狀態(tài)將不再是分立的能級(jí)，而是由能量的允帶和禁帶相間組成的能帶，所以這種理論稱為能帶論。

在晶體中，原子的外層電子可能具有的能量形成一段一段的能帶，根據(jù)能帶被電子占據(jù)的情況，把能帶分為價(jià)帶（滿帶）、禁帶和導(dǎo)帶（空帶），電子不可能具有能帶以外的能量值，而能帶情況決定了導(dǎo)電的性能。由此，金屬的導(dǎo)帶充滿電子，因而具有導(dǎo)電性，絕緣體價(jià)帶是滿帶因而無(wú)法導(dǎo)電。這一理論促使人們對(duì)于金屬鍵的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深。1931年，英國(guó)物理學(xué)家威爾遜(A.H.Wilson)利用固體能帶論[25]說(shuō)明了導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別，并斷定有一類(lèi)固體，其導(dǎo)電性質(zhì)介于兩者之間，即半導(dǎo)體。半導(dǎo)體概念的推出導(dǎo)致了以后信息時(shí)代的來(lái)臨。

事實(shí)上，布里淵區(qū)的概念[26]對(duì)于固體能帶論的研究也具有極大的意義。其物理意義在于每個(gè)布里淵區(qū)代表了一個(gè)能帶，布里淵區(qū)邊界就是能帶邊界。簡(jiǎn)約布里淵區(qū)中的一個(gè)波矢可能對(duì)應(yīng)有幾個(gè)不同的能量狀態(tài)，該區(qū)域內(nèi)的波矢即稱為簡(jiǎn)約波矢。能帶理論中，各種電子態(tài)按照它們的波矢分類(lèi)。周期結(jié)構(gòu)中的一切波在布里淵區(qū)界面上產(chǎn)生布拉格反射。對(duì)于電子德布羅意波，這一反射可能使電子能量在布里淵區(qū)界面上（倒易點(diǎn)陣矢量的中垂面）產(chǎn)生不連續(xù)變化。

總之，能帶理論是一個(gè)近似精確的固體量子理論，它是在用量子力學(xué)研究金屬電導(dǎo)理論的過(guò)程中開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的，為闡明許多晶體的物理特性提供了基礎(chǔ)，成為固體電子理論的重要部分。能帶理論不僅解釋了金屬導(dǎo)電性與絕緣體和半導(dǎo)體間存在差別的內(nèi)在原因，而且能帶理論在描述金屬的導(dǎo)電和導(dǎo)熱等輸運(yùn)過(guò)程方面獲得了成功，即能帶論成功地解決了索末菲自由電子論處理金屬問(wèn)題時(shí)所遺留下來(lái)的許多問(wèn)題，并為其后固體物理學(xué)尤其是半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[27,28]。

IX.晶格動(dòng)力學(xué)理論

30年代，除固體能帶論的創(chuàng)建以外，還有晶格動(dòng)力學(xué)的建立，都極大地推動(dòng)了固體物理學(xué)的發(fā)展。

晶格動(dòng)力學(xué)的研究是從討論晶體熱學(xué)性質(zhì)開(kāi)始的，而熱運(yùn)動(dòng)在宏觀性質(zhì)上最直接的表現(xiàn)就是比熱容。1912年玻恩與卡門(mén)合作發(fā)表了有關(guān)晶體振動(dòng)能譜的著述，提出了周期性邊界條件，用于研究晶格點(diǎn)陣，從此開(kāi)啟了他以后幾十年創(chuàng)立點(diǎn)陣?yán)碚摰氖聵I(yè)。這項(xiàng)成果早于勞厄用實(shí)驗(yàn)確定晶格結(jié)構(gòu)的工作，但當(dāng)時(shí)由于比熱容理論的研究中，德拜模型更簡(jiǎn)潔高效，造成了該理論被忽視了23年之久[29]。

1925年，玻恩出版了關(guān)于晶體理論的著作《原子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題》，開(kāi)創(chuàng)了一門(mén)新學(xué)科—— 晶格動(dòng)力學(xué)。晶格動(dòng)力學(xué)是玻恩畢生的研究領(lǐng)域，在該領(lǐng)域他取得了輝煌的成就，奠定了當(dāng)代固體物理學(xué)的基礎(chǔ)。1935年布萊克曼(F.F.Blackman)重新利用玻恩和卡門(mén)1912年提出的理論研究晶格振動(dòng)，逐漸完善并發(fā)展成現(xiàn)在的晶格動(dòng)力學(xué)理論。

晶格振動(dòng)在一定程度上破壞了晶體的周期性，使電子在晶格中運(yùn)動(dòng)受到散射而增加電阻。無(wú)機(jī)非金屬晶體材料的比熱、熱膨脹、熱傳導(dǎo)、聲音傳播等直接與晶格振動(dòng)有關(guān)，電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、介電性質(zhì)與晶格振動(dòng)也有密切聯(lián)系。利用晶格振動(dòng)理論可對(duì)它們進(jìn)行統(tǒng)一描述。故而，從晶體中原子的振動(dòng)出發(fā)去討論晶體的宏觀物性，常稱為晶格動(dòng)力學(xué)。晶格振動(dòng)的強(qiáng)弱依賴于溫度，它在晶體熱力學(xué)中起重要作用。根據(jù)晶格振動(dòng)理論研究固體性質(zhì)時(shí)，為了使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，我們常用諧振子模型來(lái)處理原子之間的相互作用。一方面，在量子力學(xué)中，諧振子問(wèn)題是可以得到嚴(yán)格解析解的。另一方面，對(duì)于固體而言，其中的原子都在做微振動(dòng)，把原子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為諧振子是可行的[1]。

為了使問(wèn)題既簡(jiǎn)化又能抓住主要矛盾，在分析討論晶格振動(dòng)時(shí)，將原子間互作用能的泰勒級(jí)數(shù)中的非線性項(xiàng)忽略掉的近似稱為簡(jiǎn)諧近似。在簡(jiǎn)諧近似下，由N個(gè)原子構(gòu)成的晶體的晶格振動(dòng)，可等效成3N個(gè)獨(dú)立的諧振子的振動(dòng)。每個(gè)諧振子的振動(dòng)模式稱為簡(jiǎn)正振動(dòng)模式，它對(duì)應(yīng)著所有的原子都以該模式的頻率做振動(dòng)，它是晶格振動(dòng)模式中最簡(jiǎn)單、最基本的振動(dòng)方式。這些諧振子的能量量子，稱為聲子。晶體振動(dòng)的總體可看作是聲子的系綜。原子的振動(dòng)，或者說(shuō)格波振動(dòng)通常是把這3N個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)模式的線形迭加。

在簡(jiǎn)諧近似下，晶格振動(dòng)可看做若干簡(jiǎn)諧波構(gòu)成。一般而言，這種簡(jiǎn)化是有效的；簡(jiǎn)諧近似是晶格動(dòng)力學(xué)處理許多物理問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)。但在研究較高溫度下的固體性質(zhì)時(shí)，如對(duì)熱膨脹和熱傳導(dǎo)等問(wèn)題的處理，必須考慮高階項(xiàng)，也就是說(shuō)晶格振動(dòng)的非諧效應(yīng)是不能忽略的。主要是位移的3次項(xiàng)和4次項(xiàng)，稱為非簡(jiǎn)諧項(xiàng)；與非簡(jiǎn)諧項(xiàng)有關(guān)的物理效應(yīng)稱為非簡(jiǎn)諧效應(yīng)[30]。

1954年，玻恩與黃昆合作出版了經(jīng)典著作《晶格動(dòng)力學(xué)理論》[31]，是一部享有世界聲譽(yù)的名著。該書(shū)系統(tǒng)、全面地闡述了晶格動(dòng)力學(xué)的有關(guān)理論，是固體物理領(lǐng)域的經(jīng)典著作之一，書(shū)中給出了作者多年來(lái)在該領(lǐng)域具有世界水平的研究成果。原書(shū)英文版由牛津出版社出版后，至今仍繼續(xù)出版發(fā)行。該書(shū)已被世界各國(guó)的大學(xué)列為有關(guān)學(xué)科研究生的必讀參考書(shū)。

玻恩還創(chuàng)立了基于點(diǎn)陣能簡(jiǎn)單計(jì)算化學(xué)能的方法，這一方法為科學(xué)家廣泛使用。其反響令玻恩感慨：“這個(gè)淺顯的應(yīng)用給我?guī)?lái)的榮譽(yù)卻超過(guò)點(diǎn)陣?yán)碚摫旧恚蛘叱^(guò)我的任何其他研究。或許科學(xué)界是對(duì)的，在需要的時(shí)候取得一些看似不重要的瑣碎貢獻(xiàn)，要比參與一次哲學(xué)革命困難得多，也重要得多。”

X.對(duì)固體磁性的研究—— 經(jīng)典時(shí)代

對(duì)固體磁性的認(rèn)識(shí)促進(jìn)了固體物理學(xué)的發(fā)展。英國(guó)物理學(xué)家吉爾伯特(W.Gilbert)是真正研究磁學(xué)的第一人；1600年發(fā)表了巨著《磁石論》，系統(tǒng)地總結(jié)和闡述了他對(duì)磁學(xué)的研究成果，提出了“磁力”、“磁軸”、“磁子午線”等概念，使他在物理學(xué)史上留下了不朽的位置[32]。

雖然人類(lèi)很早就發(fā)現(xiàn)了鐵磁現(xiàn)象，然而其本質(zhì)原因和規(guī)律還是在上世紀(jì)初才開(kāi)始認(rèn)識(shí)的。原因在于鐵磁現(xiàn)象比順磁和抗磁現(xiàn)象復(fù)雜得多，鐵磁性物質(zhì)的基本特征是物質(zhì)內(nèi)部存在磁疇結(jié)構(gòu)與自發(fā)磁化。純粹的鐵磁性物質(zhì)并不多見(jiàn)，在室溫下只有3種元素具有磁性：鐵、鈷和鎳。即，解釋物質(zhì)的磁性一直是一個(gè)困難的物理學(xué)問(wèn)題。

法國(guó)科學(xué)家安培(A.M.Ampére)1821年1月提出“分子電流假說(shuō)”，認(rèn)為物質(zhì)的宏觀磁場(chǎng)是由于運(yùn)動(dòng)的電流產(chǎn)生的，指出磁現(xiàn)象的本質(zhì)是內(nèi)部的微觀分子電流，從而解開(kāi)了幾千年的謎團(tuán)[33]。

1883年起，法國(guó)科學(xué)家居里(P.Curie)[34]對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和物體在不同溫度下的磁性進(jìn)行了獨(dú)立的、卓有成效的研究；1895年他發(fā)現(xiàn)了順磁體的磁化率反比于其絕對(duì)溫度，即居里定律。為了紀(jì)念他在磁性方面研究的成就，后人將鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘臏囟确Q為居里溫度或居里點(diǎn)。達(dá)到居里溫度，材料失去鐵磁性，呈順磁性。后來(lái)人們知道這是由于磁疇被破壞的緣故，此轉(zhuǎn)變是二級(jí)相變。皮埃爾·居里和雅克·居里兄弟還發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，證實(shí)了逆壓電效應(yīng)的存在?？傊?，他對(duì)固體物理學(xué)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。

1907年，經(jīng)法國(guó)物理學(xué)家外斯(P.Weiss)進(jìn)一步研究居里定律，予以精確化，命名為居里–外斯定律(Curie-Weiss law)[35]。鐵磁物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點(diǎn)，達(dá)到此溫度，失去鐵磁性，呈順磁性。居里–外斯定律是電介質(zhì)材料和電磁材料研究中非常重要的一個(gè)定律，其描述介電常數(shù)或磁化率在居里溫度以上順電相或順磁相的關(guān)系。

1905年，基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論，法國(guó)物理學(xué)家朗之萬(wàn)(P.Langevin)[36]提出用現(xiàn)代的原子中的電子電荷去解釋關(guān)于磁性的現(xiàn)象，用基元磁體的概念對(duì)物質(zhì)的順磁性及抗磁性作了經(jīng)典的說(shuō)明，得到了朗之萬(wàn)經(jīng)典順磁性理論和朗之萬(wàn)抗磁性理論。后者可用于解釋閉殼層原子構(gòu)成的物質(zhì)的抗磁性。

在參考處理無(wú)相互作用粒子體系的朗之萬(wàn)理論基礎(chǔ)上，1907年，外斯[37]在分子場(chǎng)假設(shè)和磁疇假設(shè)下，系統(tǒng)地提出了鐵磁性假說(shuō)，以便對(duì)鐵磁性進(jìn)行定量說(shuō)明：鐵磁性相變的分子場(chǎng)理論，唯象地解釋了鐵磁現(xiàn)象，同時(shí)很好地解釋了鐵磁性[38]物質(zhì)在退磁狀態(tài)下不顯示磁性的問(wèn)題。其主要內(nèi)容有：鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)的等效磁場(chǎng)—— 分子場(chǎng)，可以使內(nèi)部各區(qū)域磁化。在分子場(chǎng)的作用下，原子磁矩趨于同向平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化；鐵磁體自發(fā)磁化分成若干個(gè)小區(qū)域，這種自發(fā)磁化至飽和的小區(qū)域稱為磁疇，由于各個(gè)區(qū)域（磁疇）的磁化方向各不相同，其磁性彼此相互抵消，所以大塊鐵磁體對(duì)外不顯示磁性。外斯分子場(chǎng)理論后來(lái)也被人推廣到了反鐵磁性研究上[39]。

磁疇學(xué)說(shuō)成為解釋強(qiáng)磁體在外磁場(chǎng)中的行為的理論基礎(chǔ)，在描述鐵磁體宏觀行為上獲得了巨大成功，可用磁疇結(jié)構(gòu)來(lái)解釋鐵磁質(zhì)強(qiáng)磁性的起因。而磁疇結(jié)構(gòu)的理論是在1935年，由郎道–利夫希茨(Landau–Lifshitz)考慮了靜磁能的相互作用后首先提出的。磁疇理論構(gòu)成了今天磁性物理學(xué)的核心內(nèi)容以及現(xiàn)代磁化理論的主要理論基礎(chǔ)。

1917～1918年期間，美國(guó)物理學(xué)家康普頓(A.H.Compton)確定了磁性晶體的磁化效應(yīng)，提出電子也具有自旋相應(yīng)的磁矩，并科學(xué)地預(yù)言了鐵磁性起源于電子的內(nèi)稟磁矩。而1970年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主奈耳(L.E.F.Néel)[37,40]，則是本世紀(jì)一位有影響的法國(guó)物理學(xué)家和實(shí)業(yè)家。他主要致力于磁學(xué)研究，主要貢獻(xiàn)是在外斯分子場(chǎng)的基礎(chǔ)上，提出局域分子場(chǎng)概念，即假設(shè)存在著分別作用在不同原子上的分子場(chǎng)，從理論上導(dǎo)出了部分合金的磁化率隨溫度變化的關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合一致。他還在反鐵磁性(1932)、亞鐵磁性(1948)、超反鐵磁性(1961)以及微粉磁性、磁化蠕移、巖石磁性和矯頑力理論上有重要突破；奈耳溫度、奈耳疇壁因他的名字而命名。反鐵磁性和亞鐵磁性理論為后來(lái)各種磁有序理論開(kāi)辟了道路，亞鐵磁性和微粉磁性理論分別促進(jìn)了各種類(lèi)型鐵氧體材料和微粉永磁材料的發(fā)展和應(yīng)用。

XI.對(duì)固體磁性的研究—— 量子時(shí)代

玻恩曾經(jīng)的助手、1943年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、德裔美國(guó)著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家斯特恩(O.Stern)[41]，1921年到1922年間，為證實(shí)原子角動(dòng)量量子化，同蓋拉赫(W.Gerlach)合作做了磁場(chǎng)對(duì)磁矩的作用力使原子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的著名的斯特恩–蓋拉赫實(shí)驗(yàn)(Stern-Gerlach Experiment)[42]，而后又測(cè)量了包括質(zhì)子在內(nèi)的亞原子粒子的磁矩。施特恩–格拉赫實(shí)驗(yàn)主要顯示的是基態(tài)原子的角動(dòng)量和磁矩，是歷史上第一次直接觀察到原子磁矩取矢量子化的實(shí)驗(yàn)。

1927年，德國(guó)物理學(xué)家泡利利用量子理論計(jì)算了自由電子氣體的順磁性（自旋順磁性理論），揭示了非鐵磁性金屬的弱磁性質(zhì)。他證明了金屬中的導(dǎo)電電子的行為與費(fèi)米–狄拉克(Fermi-Dirac)所支配的自由電子氣一樣；自由電子在量子統(tǒng)計(jì)下的磁化率遠(yuǎn)小于經(jīng)典的居里順磁性理論，由此克服了特魯?shù)篓C洛侖茲(Drude-Lorentz)自由電子論在該問(wèn)題上的困難。在很多的金屬中，盡管有未飽和的電子自旋磁矩，但它們的順磁性不強(qiáng)并且與溫度沒(méi)有什么關(guān)系，原因完全是由于費(fèi)米–狄拉克統(tǒng)計(jì)的緣故；只有費(fèi)米面附近的電子才有如反轉(zhuǎn)等磁響應(yīng)。

金屬導(dǎo)電電子的順磁性又稱為泡利順磁性，泡利順磁磁化率與溫度無(wú)關(guān)，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，而經(jīng)典統(tǒng)計(jì)則與溫度成反比。泡利的順磁性表明自由電子在量子統(tǒng)計(jì)下的磁化率遠(yuǎn)小于經(jīng)典的居里順磁性理論，本質(zhì)也是費(fèi)米–狄拉克分布決定的，只有費(fèi)米面附近的電子才有磁響應(yīng)。

1928年前蘇聯(lián)物理學(xué)家弗侖克爾(J.Frenkel)與德國(guó)物理學(xué)家海森堡(W.Heisenberg)各自獨(dú)立地提出鐵磁性的量子理論，即提出分子場(chǎng)起源于相鄰原子間電子自旋的靜電交換作用，利用量子力學(xué)的交換現(xiàn)象解釋了物質(zhì)的鐵磁性問(wèn)題，認(rèn)為鐵磁性本質(zhì)上是一種量子力學(xué)效應(yīng)[39,43]。

分子場(chǎng)理論成功描述了強(qiáng)磁性物質(zhì)的自發(fā)磁化行為，但在低溫和居里點(diǎn)附件的溫度關(guān)系卻明顯偏離了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。自旋波理論(Spin Wave theory)[44]是1930年，布洛赫基于海森堡的理論首先提出來(lái)的.他認(rèn)為每個(gè)格點(diǎn)的自旋是1/2，而磁子是自旋波的能量量子；和聲子一樣，屬于集體運(yùn)動(dòng)，是固體中重要的元激發(fā)，由局域自旋之間的相互作用而引起的。自旋波理論計(jì)入了自旋的長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)行為，從體系整體激發(fā)的概念出發(fā)，成功揭示了自發(fā)磁化在低溫下的行為；這一點(diǎn)顯然比分子場(chǎng)理論有了進(jìn)步。

提到元激發(fā)，不得不提及蘇聯(lián)著名物理學(xué)家朗道[45]，正是他首先提出了元激發(fā)的概念。固體中的元激發(fā)是指固體中粒子之間、粒子自旋之間、帶電粒子與電磁波之間各有相互作用，從而產(chǎn)生粒子的各種集體運(yùn)動(dòng)。通常表現(xiàn)為不同的振動(dòng)或波動(dòng)，其能量量子就是元激發(fā)。按所服從的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，元激發(fā)可分成玻色子和費(fèi)米子兩大類(lèi)。元激發(fā)的引入使得固體物理中的很多問(wèn)題可以用統(tǒng)一的觀點(diǎn)和方法來(lái)描述和處理，是整個(gè)固體理論的一個(gè)核心內(nèi)容?？梢哉f(shuō)，傳統(tǒng)的固體理論就是在研究不同性質(zhì)的元激發(fā)，包括聲子[46,47]。

美國(guó)著名理論物理學(xué)家范弗萊克(J.H.V.Vleck)一生進(jìn)行了包括量子理論、磁性理論、原子光譜、晶體場(chǎng)理論和磁共振等方面的廣泛研究，因其對(duì)現(xiàn)代磁學(xué)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)，被譽(yù)為“現(xiàn)代磁學(xué)之父”。他發(fā)展了順磁性和抗磁性的量子理論，1932年導(dǎo)出了原子或離子系統(tǒng)磁化率的普遍公式：郎之萬(wàn)–德拜公式(Langevin-Debye Equation)；1977年，他因?qū)Υ判院蜔o(wú)序系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[48]。

1933年，埃倫費(fèi)斯特(P.Ehrenfest)提出二級(jí)相變的概念，并對(duì)相變進(jìn)行分類(lèi)。1935年，朗道研究了電子與聲子的相互作用，提出了鐵磁性的磁疇理論和反鐵磁性的理論解釋?zhuān)U明低溫磁化強(qiáng)度隨溫度變化的規(guī)律。人們把由于存在朗道能級(jí)而產(chǎn)生的抗磁性稱為朗道抗磁性。1936～1937年，朗道提出二級(jí)相變的一般理論，相關(guān)理論被稱為朗道相變理論。二級(jí)相變理論對(duì)于磁性材料和超導(dǎo)材料的研究都具有十分重要的意義[49,50]。

對(duì)固體磁性研究有重要意義的還有巡游電子理論。我們知道，原子中的電子在原子核的勢(shì)場(chǎng)和其他電子的作用下，它們分列在不同的能級(jí)上，形成所謂電子殼層。不同殼層的電子分別用1s；2s，2p；3s，3p，3d；4s，3d，4p；5s，4d，5p；6s，4f，5d，6p；等符號(hào)表示，每一支殼層對(duì)應(yīng)于確定的能量。

1936年，英國(guó)利茲大學(xué)理論物理學(xué)家斯托納(E.Stoner)采用能帶模型討論了金屬的鐵磁性，認(rèn)為3d電子既不像4s電子那樣可以用自由電子近似來(lái)處理，也不像4f電子那樣可以完全看作是局域電子，把3d電子看作是在金屬晶格中各個(gè)原子的d軌道上依次巡游，稱之為巡游電子[51–53]。他假定簡(jiǎn)并的能帶在交換作用下，發(fā)生分裂。他在討論自發(fā)磁化強(qiáng)度時(shí)，給出了原子磁距未必是整數(shù)的結(jié)論，這是斯托納模型(Stoner model)的最大成功之處。

斯托納模型的缺點(diǎn)是不能解釋居里溫度附近的磁化強(qiáng)度變化和熵異常等，也不能描述自旋波和臨界漲落等現(xiàn)象。斯托納模型在討論溫度大于居里溫度后的磁化率時(shí)，未能給出居里–外斯定律，且居里溫度的計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值大3倍，這是該模型的最大缺陷之處[54,55]。

斯托納還提出了著名的斯托納判據(jù)，它是判斷物質(zhì)是否有鐵磁性的一個(gè)判據(jù)，其理論依據(jù)是費(fèi)米液體理論。在斯托納之前，1929年布洛赫就曾用哈特里–福克近似(Hartree-Fock Approximation)討論過(guò)電子氣顯示鐵磁性的可能性，1934年維格納指出了電子關(guān)聯(lián)的重要性，從而得出電子氣不呈現(xiàn)鐵磁性的結(jié)論[56]。

曾在貝爾實(shí)驗(yàn)室與巴丁以及肖克利(W.Shockley)一起工作的美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士基泰爾(C.Kittel)，其在20世紀(jì)40年代，把交換相互作用、磁偶極相互作用、各向異性能等等都考慮在內(nèi)，發(fā)展了鐵磁和反鐵磁共振理論以及鐵磁疇理論，并拓展了磁極化子布洛赫理論。

1951年，赫林(C.Herring)和基泰爾考慮了熱激發(fā)電子和空穴之間的相互作用，在能帶論的基礎(chǔ)上也導(dǎo)出了自旋波的存在，給出了色散關(guān)系，克服了斯托納模型的不足。50年代發(fā)展的局域電子模型理論和巡游電子模型理論，對(duì)亞鐵磁性物質(zhì)和稀土金屬及其合金的磁性作出了成功的解釋?zhuān)莾蓚€(gè)理論之間長(zhǎng)期爭(zhēng)論不斷[53,54]。

60年代，哈伯德(J.Hubbard)提出了處理窄能帶中電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的模型，成為研究巡游電子磁性的理論基礎(chǔ)。哈伯德模型(Hubbard model)忽略了庫(kù)侖作用的長(zhǎng)程部分和不同原子間電子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，也未考慮d帶和s帶的混合問(wèn)題。1972年，日本物理學(xué)家守谷亨(Moriya)等人提出的自旋漲落模—— 模耦合唯象理論使居里溫度的計(jì)算值大為降低，并得出了高溫下鐵磁體遵從居里–外斯定律的結(jié)論。也就是說(shuō)，通過(guò)考慮自旋漲落及自旋漲落不同模式之間的耦合作用來(lái)改進(jìn)斯托納模型，克服了早期模型的不足，得到更加精確的結(jié)果[56]。

上世紀(jì)60年代后，通過(guò)迪·哈斯–范·阿爾芬效應(yīng)(De Hass-Van Alphen Effect)[57]，從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了過(guò)渡金屬中確實(shí)存在著3d電子的費(fèi)米面，完全確定了巡游電子模型在解釋過(guò)渡族金屬和合金鐵磁性起因上的地位。結(jié)束了局域電子模型和巡游電子模型長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休的局面，過(guò)渡金屬的d電子是巡游電子已經(jīng)得到公認(rèn)。但在討論非金屬鐵磁性起因上，局域電子模型依然是唯一選擇[58,59]。

XII.對(duì)固體磁性的研究—— 實(shí)用化階段

1983年在固態(tài)器件中發(fā)現(xiàn)了與電子自旋有關(guān)的電子輸運(yùn)現(xiàn)象，開(kāi)始出現(xiàn)了自旋電子學(xué)：利用電子的自旋和磁矩，使固體器件中除電荷輸運(yùn)外，還加入電子的自旋和磁矩，是一門(mén)新興的學(xué)科和技術(shù)。自旋電子器件是利用電子的電荷自由度和自旋自由度的新功能器件。利用自旋電流傳遞信息是一個(gè)令人興奮的前景，它基于通過(guò)電子自旋攜帶信息的思想，它比普通電流的能量消耗低。在該領(lǐng)域，自旋極化場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Spin Polarized Field Effect Transistor,Spin-FET)、自旋晶體管、自旋量子計(jì)算機(jī)、磁性半導(dǎo)體器件等也是半導(dǎo)體方面的研究熱點(diǎn)。自旋電子學(xué)的主要物理基礎(chǔ)是隧道磁阻和巨磁阻（巨磁電阻效應(yīng)）。

隧道磁阻也叫做隧穿磁阻效應(yīng)(Tunneling Magnetoresistance,TMR)[60–62]，指在鐵磁/絕緣體薄膜/鐵磁的三明治結(jié)構(gòu)材料中，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對(duì)方向變化的效應(yīng)。量子隧穿不僅是量子力學(xué)中最神奇的現(xiàn)象之一，而且也是自然界中最基本、最重要的過(guò)程之一。通過(guò)量子隧穿，微觀粒子可以透過(guò)經(jīng)典粒子不能通過(guò)的區(qū)域。此效應(yīng)首先于1975年由祖利爾(M.Julliere)在鐵磁材料(Fe)與絕緣體材料(Ge)中發(fā)現(xiàn)。TMR效應(yīng)由于具有磁電阻效應(yīng)大、磁場(chǎng)靈敏度高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，展示出十分誘人的應(yīng)用前景，更是磁性隨機(jī)存取內(nèi)存(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM)與硬盤(pán)中的磁性讀寫(xiě)頭的科學(xué)基礎(chǔ)。

1988年，法國(guó)科學(xué)家費(fèi)爾(A.Fert)和德國(guó)科學(xué)家格林貝格爾(P.Grünberg)就各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)(Giant Magnetic Resistance,GMR)[63–66]這一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。1994年計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中使用了巨磁電阻效應(yīng)的自旋閥結(jié)構(gòu)的讀出磁頭，獲得了每平方英寸1 GB的存儲(chǔ)密度，在當(dāng)年來(lái)說(shuō)是最大值。2007年二人被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。得益于“巨磁電阻”效應(yīng)這一重大發(fā)現(xiàn)，最近20多年來(lái)，根據(jù)這一效應(yīng)開(kāi)發(fā)的小型大容量計(jì)算機(jī)硬盤(pán)已得到廣泛應(yīng)用。

另外，目前還有自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)[67]，是指自旋極化的電流在傳導(dǎo)過(guò)程中會(huì)對(duì)局域磁矩產(chǎn)生作用，使其磁化方向發(fā)生改變。1996年斯隆克祖斯基（J.C.Slonczewski)和博格(L.Berger)分別獨(dú)立地從理論上預(yù)言了自旋閥結(jié)構(gòu)中自旋轉(zhuǎn)移力矩的存在，當(dāng)電流垂直流過(guò)自旋閥各層時(shí)，磁性自由層會(huì)受到自旋轉(zhuǎn)移力矩的作用，并且當(dāng)這個(gè)力矩足夠大時(shí)甚至可以誘使磁性自由層磁矩反轉(zhuǎn)。這一里程碑式的發(fā)現(xiàn)使通過(guò)電流直接操控磁性材料的磁化狀態(tài)成為可能，同時(shí)也掀起了自旋轉(zhuǎn)移力矩的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究。其中，自旋力矩存儲(chǔ)技術(shù)是利用“擁有自旋角動(dòng)量的屬性的電子或其他粒子”的一種技術(shù)。其中自旋角動(dòng)量是兩種量子力學(xué)角動(dòng)量之一，另一種叫做軌道角動(dòng)量。

自旋霍爾效應(yīng)指的是在電場(chǎng)作用下，一個(gè)縱向加載的電場(chǎng)除了產(chǎn)生縱向電流以外，還會(huì)在垂直于電場(chǎng)的方向上產(chǎn)生自旋流的現(xiàn)象。2013年，清華大學(xué)薛其坤院士[68]宣布，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)在真實(shí)材料（磁生拓樸絕緣體薄膜）中發(fā)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)，是改革開(kāi)放40年間中國(guó)在基礎(chǔ)研究上的一個(gè)重大成果，也標(biāo)志著中國(guó)拓?fù)淞孔游锢淼膶?shí)驗(yàn)研究居世界領(lǐng)先地位。

上述這些物理學(xué)家的貢獻(xiàn)促進(jìn)了人們對(duì)于磁性的認(rèn)識(shí)和磁學(xué)的發(fā)展，也相應(yīng)推動(dòng)了固體物理學(xué)的進(jìn)步。

XIII.信息時(shí)代—— 半導(dǎo)體技術(shù)

能帶理論為晶體管的產(chǎn)生準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)40年代末，以諸、硅為代表的半導(dǎo)體單晶的出現(xiàn)并制成了晶體三極管，產(chǎn)生了半導(dǎo)體物理；從此人類(lèi)社會(huì)開(kāi)始步入信息時(shí)代。

唯一在固體物理學(xué)領(lǐng)域兩獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的人是巴丁[69]，他在晶體管和超導(dǎo)研究上做出了突出貢獻(xiàn)。巴丁1945年到1951年在貝爾電話公司實(shí)驗(yàn)研究所研究半導(dǎo)體及金屬的導(dǎo)電機(jī)制、半導(dǎo)體表面性能等問(wèn)題。1947年和同事布喇頓(W.H.Brattain)發(fā)明了半導(dǎo)體三極管。一個(gè)月后，肖克利(W.B.Shockley)發(fā)明了PN結(jié)晶體管。三人因發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1957年，日本科學(xué)家江崎玲于奈（R.Esaki）在研究高濃度摻雜的鍺PN結(jié)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了負(fù)阻特性，這就是著名的“隧道效應(yīng)”，并研制出“反向二極管”，發(fā)明了隧道二極管（江崎二極管），從而開(kāi)辟了半導(dǎo)體隧道效應(yīng)的新領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，1969年，他首次提出了“半導(dǎo)體超晶格”的概念。1973年他被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[70]。

1958年貝爾實(shí)驗(yàn)室的安德森(P.W.Anderson)在《物理評(píng)論》上發(fā)表了一篇題為“擴(kuò)散在某些無(wú)規(guī)格子中的消失”的論文。這篇文章開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域，使人們對(duì)電子在無(wú)序體系中的行為特征有了初步了解。他指出，處在局域態(tài)上的電子對(duì)傳導(dǎo)沒(méi)有貢獻(xiàn)，隨無(wú)序度增加，體系電子態(tài)會(huì)局域化，后人稱這種局域化為安德森局域化。改變系統(tǒng)的無(wú)序度，可使系統(tǒng)由金屬型變?yōu)榻^緣體，人們稱這類(lèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榘驳律D(zhuǎn)變。1979年，安德森等提出了一種著名的局域標(biāo)度理論，其基本思想是：雜質(zhì)或缺陷導(dǎo)致周期性結(jié)構(gòu)破壞，電子局域在雜質(zhì)附近，波函數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)衰減，電子的布洛赫波函數(shù)需要修正；隨著雜質(zhì)濃度升高，電子波函數(shù)將發(fā)生衰減，逐漸從擴(kuò)展態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫钟驊B(tài)，結(jié)果就是金屬變?yōu)榻^緣體。1977年，安德森獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；他的研究成為非晶態(tài)物理學(xué)研究的一個(gè)重要里程碑，也為固體物理學(xué)開(kāi)辟了新天地[71–75]。

1958年，美國(guó)人基比爾(J.Kilby)研制了第一塊集成電路振蕩器的演示實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著集成電路的誕生。緊接著，外延、氧化、擴(kuò)散和光刻等一系列信工技術(shù)所確定的硅平面晶體管工藝，揭開(kāi)了以硅平面器件為核心的集成電路發(fā)展的序幕。2000年，基比爾在經(jīng)過(guò)42年的漫長(zhǎng)等待之后，終于榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此前1985年和1998年，多位科學(xué)家因?yàn)檎麛?shù)量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)獲此殊榮，其中包括美籍華人崔琦教授。這些成果的取得極大的推動(dòng)了以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展[70]。

XIV.信息時(shí)代—— 超導(dǎo)技術(shù)

某些金屬在極低的溫度下，其電阻會(huì)完全消失，電流可以在其間無(wú)損耗的流動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)。超導(dǎo)現(xiàn)象于1911年由荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯(H.K.Onnes)發(fā)[76,77]，他將汞單質(zhì)溫度降低到4.2 K時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新的研究領(lǐng)域；自此科學(xué)家一直致力于新型超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)以及超導(dǎo)微觀機(jī)理的研究。1933年，德國(guó)物理學(xué)家邁斯納(W.Meissner)[78,79]指出，超導(dǎo)體區(qū)別于理想金屬導(dǎo)體，除了零電阻外，它還具有另一種獨(dú)立的神奇特性—— 完全抗磁性。

朗道對(duì)超導(dǎo)研究做出了突出貢獻(xiàn)。1934年，朗道提出超導(dǎo)體的混合態(tài)理論。1936～1937年，他提出了超導(dǎo)體的中間態(tài)理論和朗道中間態(tài)結(jié)構(gòu)模型。1950年朗道與金茲堡（V.L.Ginzburg,榮獲2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）一起創(chuàng)立超導(dǎo)理論（金茲堡–朗道唯象理論,Ginsberg-Landou Theory），給出了著名的金茲堡–朗道方程，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)諸如超導(dǎo)體能負(fù)荷的最大電流等特性[45]。

1950年英國(guó)科學(xué)家弗羅利希(H.Frohlich)指出，金屬中電子通過(guò)交換聲子（點(diǎn)陣振動(dòng)）可以產(chǎn)生吸引作用，他預(yù)言超導(dǎo)體的臨界溫度與同位素的質(zhì)量之間存在一定的關(guān)系。所謂“臨界溫度”，就是導(dǎo)體從正常導(dǎo)電狀態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)電狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度。1950年麥克斯韋(E.Maxwell)和雷諾（C.A.Raynold）各自獨(dú)立地測(cè)量了水銀同位素的臨界轉(zhuǎn)變溫度；這就是超導(dǎo)體同位素效應(yīng)[80]：同一超導(dǎo)元素的臨界溫度與各同位素的質(zhì)量的平方根成反比。同位素效應(yīng)把晶格振動(dòng)（其量子稱為聲子）與電子聯(lián)系起來(lái)了，意味著電子–聲子的相互作用與超導(dǎo)電性密切相關(guān)。

1957 年，朗道的學(xué)生阿布里科索夫（A.A.Abrikosov,榮獲2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）[81]用這個(gè)理論得到了一個(gè)堪稱超導(dǎo)理論和材料史上的經(jīng)典結(jié)果，這個(gè)結(jié)果就是金茲堡–朗道理論的一個(gè)解析解。阿布里科索夫的研究表明，還存在第二類(lèi)超導(dǎo)體，這種超導(dǎo)體允許磁場(chǎng)穿過(guò)。今天幾乎所有產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)的超導(dǎo)磁鐵都是由第二類(lèi)超導(dǎo)體制造的。而沒(méi)有強(qiáng)大的磁場(chǎng)，就沒(méi)有磁共振成像技術(shù)。

除了朗道之外，英國(guó)物理學(xué)家倫琴（W.R?ntgen，1901年首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）的博士生、前蘇聯(lián)物理學(xué)之父約飛(A.Joffe）[82]也對(duì)固體物理學(xué)也做出了突出貢獻(xiàn)。他畢生致力于固體物理和半導(dǎo)體物理的研究，尤其是作了電解質(zhì)的導(dǎo)電機(jī)制和晶體強(qiáng)度方面的工作，這在當(dāng)時(shí)是亟待解決的問(wèn)題。他提出阻擋層的概念，其有關(guān)半導(dǎo)體中的兩種載流子和它們的遷移率的研究開(kāi)辟了人們對(duì)N型和P型半導(dǎo)體的研究方向。他研究半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換及半導(dǎo)體致冷，在當(dāng)時(shí)都是開(kāi)創(chuàng)性的工作。

1957年，巴丁、庫(kù)珀(L.Cooper)和施里弗(J.Schrieffer)提出了低溫超導(dǎo)的BCS理論(Bardeen–Cooper–Schrieffer theory,BCS theory)[83]，認(rèn)為電子和聲子相互作用形成庫(kù)柏電子對(duì)，庫(kù)柏對(duì)的凝聚表現(xiàn)為超導(dǎo)電相變，成功揭示了超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀機(jī)理，得到一個(gè)令人滿意的解釋。BCS理論美妙地用“電子配對(duì)、干活不累”的創(chuàng)意解決了常規(guī)金屬合金超導(dǎo)機(jī)理問(wèn)題，但其創(chuàng)新大膽的思想終獲承認(rèn)，獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

自從量子理論發(fā)展以來(lái)，BCS理論被稱為是對(duì)理論物理學(xué)的最重要貢獻(xiàn)之一，解決了困擾包括愛(ài)因斯坦和費(fèi)曼等物理學(xué)家近50年的難題。但在BCS理論框架下，所有的超導(dǎo)體臨界溫度存在一個(gè)40 K的理論上限，稱作麥克米蘭極限[84]。1987年初趙忠賢及其合作者獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為92.8 K的Ba-Y-Cu-O超導(dǎo)體；突破了麥克米蘭極限（此前，La-Sr-Cu-O也突破了麥克米蘭極限）。這是當(dāng)時(shí)的最高溫度極限，也是銅基超導(dǎo)研究的一個(gè)創(chuàng)新。這也意味著高溫超導(dǎo)的理論需要?jiǎng)?chuàng)新，需要突破BCS理論的框架[85]。

雖然科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了上千種超導(dǎo)材料，但絕大部分材料只有在極低的溫度或者極端條件下才能維持超導(dǎo)狀態(tài)，不利于實(shí)用化研究。解決這一問(wèn)題關(guān)鍵在于尋找更高臨界溫度的超導(dǎo)體，特別是室溫超導(dǎo)體，這是所有超導(dǎo)研究者的終極夢(mèng)想。

2006年日本東京工業(yè)大學(xué)細(xì)野秀雄(H.Hosono)教授的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)第一個(gè)以鐵為超導(dǎo)主體的化合物L(fēng)aFeOP，打破以往普遍認(rèn)定鐵元素不利形成超導(dǎo)的傳統(tǒng)思想。2008年2月初，細(xì)野秀雄教授的團(tuán)隊(duì)再度發(fā)表鐵基層狀材料LaFeAsO1?xFx(x=0.05～0.12)[86]，在絕對(duì)溫度26 K時(shí)存在超導(dǎo)性。我國(guó)科學(xué)家如趙忠賢院士、陳仙輝院士、聞?；⒔淌诤婉R衍偉研究員也在鐵基超導(dǎo)領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)[87]。尤其是趙忠賢院士領(lǐng)銜的鐵基超導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)榮獲2013年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（40 K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研究），此前該獎(jiǎng)項(xiàng)已多年空缺。三年后的2016年，趙忠賢院士榮膺中國(guó)科技最高獎(jiǎng)。

對(duì)超導(dǎo)性的研究將導(dǎo)致種種新的實(shí)用成果，有望革新21世紀(jì)的科技，如超導(dǎo)磁鐵、高速磁浮列車(chē)、超級(jí)原子對(duì)撞機(jī)、超導(dǎo)體電子計(jì)算機(jī)、功率傳輸線等。目前實(shí)用化的有磁共振成像儀器、高溫超導(dǎo)濾波器和超導(dǎo)量子干涉器件等，為人類(lèi)的工作、學(xué)習(xí)和生活提供著便利。

XV.中國(guó)固體物理學(xué)的發(fā)展

對(duì)我國(guó)固體物理學(xué)做出突出貢獻(xiàn)的是我國(guó)的老一輩科學(xué)家趙忠堯、葛庭燧、程開(kāi)甲、黃昆和謝希德五位資深院士；此外，還有湯定元院士、馮端院士、王業(yè)寧院士和閔乃本院士等[88–90]。其中趙忠堯院士實(shí)際上是發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)（正電子）的第一人，安德森也正是在他實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)下發(fā)現(xiàn)了正電子并獲諾獎(jiǎng)；趙先生沒(méi)能獲獎(jiǎng)殊為可惜。葛庭燧院士畢生致力于金屬物理學(xué)的發(fā)展研究；他所領(lǐng)導(dǎo)的研究集體在晶界弛豫、位錯(cuò)阻尼和非線性滯彈性內(nèi)耗研究方面取得了大量的原創(chuàng)性成果。程開(kāi)甲和黃昆兩位院士更是在中國(guó)固體物理學(xué)發(fā)展史上寫(xiě)下了燦爛的一筆，功勛卓著，雙雙榮獲國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。謝希德院士終生致力于半導(dǎo)體物理和固體物理的發(fā)展，培養(yǎng)了一大批骨干科研人才和中科院院士，為我國(guó)半導(dǎo)體物理和固體物理的人才培養(yǎng)和科技進(jìn)步做出了突出貢獻(xiàn)。

趙忠堯先生[91]首先探測(cè)到的固體中的正電子湮沒(méi)輻射現(xiàn)象，開(kāi)創(chuàng)了正電子湮沒(méi)譜學(xué)的先河。正電子湮沒(méi)輻射能夠攜帶有關(guān)固體電子結(jié)構(gòu)、電子動(dòng)量分布和缺陷結(jié)構(gòu)的信息，正電子湮沒(méi)實(shí)驗(yàn)逐漸發(fā)展成一門(mén)物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)。目前這一技術(shù)在原子物理、固體物理、材料科學(xué)等方面都得到了廣泛應(yīng)用，而且在化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也有很強(qiáng)的發(fā)展趨勢(shì)。特別是材料科學(xué)研究中，正電子對(duì)微觀缺陷研究和相變研究正發(fā)揮著日益重大的作用。

葛庭燧先生[92,93]主要從事進(jìn)行金屬弛豫譜（內(nèi)耗）、晶體缺陷和金屬力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)研究，是國(guó)際上滯彈性內(nèi)耗研究領(lǐng)域創(chuàng)始人之一。1946年，他第一個(gè)創(chuàng)制了研究?jī)?nèi)耗用的扭擺儀，并被國(guó)際上命名為“葛氏扭擺”；次年，他第一次用該儀器發(fā)現(xiàn)了晶粒間界內(nèi)耗峰（葛峰），闡明了晶粒間的粘滯性質(zhì)，奠定了滯彈性內(nèi)耗的理論基礎(chǔ)。1949年，他提出晶粒間界無(wú)序原子群模型，被稱為“葛氏晶界模型”。1946～1949的四年期間，葛庭燧獨(dú)立地取得了一系列奠基性和開(kāi)拓性的科研成就，成為國(guó)際固體內(nèi)耗領(lǐng)域的創(chuàng)始人之一。1952年起，他在沈陽(yáng)金屬所任職，期間，最先將全息照相技術(shù)和激光技術(shù)引入國(guó)內(nèi)，推動(dòng)了這兩項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展。1980年，葛庭燧先生負(fù)責(zé)籌建中科院固體物理研究所，為我國(guó)的科教事業(yè)做出了突出貢獻(xiàn)，王業(yè)寧院士就是他培養(yǎng)的人才之一。

程開(kāi)甲先生[89,94,95]最早玻恩指導(dǎo)下從事超導(dǎo)研究，二人合作在Nature等期刊發(fā)表了多篇關(guān)于超導(dǎo)的文章。他是國(guó)內(nèi)固體物理和金屬物理方面的專(zhuān)家，提出了普適線型內(nèi)耗理論，對(duì)內(nèi)耗研究具有普遍指導(dǎo)意義；研究了二元代位合金體系、面心立方金屬間隙原子的內(nèi)耗理論。同時(shí)，他對(duì)托馬斯–費(fèi)米統(tǒng)計(jì)(Thomas-Fermi Statistic)、正則系綜分布函數(shù)、弛豫過(guò)程普遍理論、輻射理論、布朗運(yùn)動(dòng)、電子集體振動(dòng)、極化子、細(xì)晶粒再結(jié)晶等進(jìn)行了理論研究。

黃昆先生[96–98]是中國(guó)固體物理和半導(dǎo)體物理學(xué)奠基人和開(kāi)拓者之一，聲子物理第一人，曾與玻恩合著《晶格動(dòng)力學(xué)理論》。他提出固體中雜質(zhì)缺陷導(dǎo)致X射線漫散射的理論，被稱為“黃散射”；預(yù)見(jiàn)了晶體光學(xué)聲子和電磁場(chǎng)的耦合振動(dòng)模式，提出了著名的黃昆方程；首先提出聲子極化激元概念；此外與妻子里斯共同提出了多聲子的輻射和無(wú)輻射躍遷的量子理論：“黃–里斯理論”。黃昆院士建立了超晶格光學(xué)振動(dòng)的理論—— “黃–朱（邦芬）模型”，對(duì)理解半導(dǎo)體超晶格的光學(xué)性質(zhì)、光散射效應(yīng)、電子和格波的相互作用起到了重要作用。還在國(guó)內(nèi)開(kāi)設(shè)了固體物理課程。

謝希德先生[99,100]更是勵(lì)志和愛(ài)國(guó)的典范。她克服了身體的殘疾與疾病的困擾，在思想落后的舊社會(huì)，不斷取得學(xué)業(yè)的進(jìn)步，成為女人獲得成功的典范。她先后與黃昆通力合作撰寫(xiě)專(zhuān)著《半導(dǎo)體物理學(xué)》，還同方俊鑫合作編寫(xiě)了《固體物理學(xué)》（上、下冊(cè)）教材，與蔣平等合作出版了專(zhuān)著《群論及其在物理學(xué)中的應(yīng)用》；總計(jì)出版著作20多本，這些書(shū)籍已成為中國(guó)國(guó)內(nèi)許多大學(xué)研究生的教材。謝希德先生先后在北京大學(xué)、上海技術(shù)物理研究所、復(fù)旦大學(xué)、上海杉達(dá)學(xué)院執(zhí)教期間，都為學(xué)校的學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)做出了巨大貢獻(xiàn)，被稱為我國(guó)的半導(dǎo)體之母。

湯定元先生研制成功多種具有國(guó)際先進(jìn)水平的紅外光電探測(cè)器，已成功應(yīng)用于多種遙感探測(cè)先進(jìn)裝備，為我國(guó)“兩彈一星”等的研制作出了重要貢獻(xiàn)；先后培養(yǎng)出以方家熊院士、褚君浩院士等為代表的一大批優(yōu)秀科學(xué)家，為我國(guó)半導(dǎo)體研究做出了重大貢獻(xiàn)。馮端院士發(fā)現(xiàn)了浸蝕法位錯(cuò)線成象規(guī)律，在復(fù)雜氧化物晶體內(nèi)的缺陷與疇界問(wèn)題研究中獲多項(xiàng)重要成果，發(fā)展了一種具有優(yōu)異的非線性光學(xué)的新型人工調(diào)制結(jié)構(gòu)材料。王業(yè)寧院士從事固體中相變與缺陷的內(nèi)耗（聲衰減）研究。閔乃本院士提出了介電體超晶格的概念，將Frank螺位錯(cuò)機(jī)制與理論推廣為更為普遍的缺陷機(jī)制與理論，成為經(jīng)典晶體生長(zhǎng)理論近幾十年來(lái)最重要的發(fā)展之一。

另外，薛其坤院士的主要研究方向?yàn)閽呙杷淼里@微學(xué)、表面物理、自旋電子學(xué)、拓?fù)浣^緣量子態(tài)和低維超導(dǎo)電性等，均屬于固體物理學(xué)的研究范疇。尤其是在國(guó)際上首次證實(shí)了量子反?；魻栃?yīng)，這是我國(guó)科技的重大進(jìn)展之一[101–104]。薛其坤院士領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)獲得2018年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（量子反?；魻栃?yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)）。

還有一個(gè)我國(guó)科學(xué)家取得了舉世矚目成就的領(lǐng)域是高壓物理學(xué)領(lǐng)域。高壓物理學(xué)是研究物質(zhì)在高壓作用下物理行為的學(xué)科。進(jìn)入20世紀(jì)，美國(guó)物理學(xué)家布里奇曼(P.W.Bridgman)發(fā)展了高壓技術(shù)，大大地推動(dòng)了高壓下的物性研究。高壓科學(xué)將是人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然及開(kāi)啟宇宙之門(mén)的鑰匙，它的作用不亞于與溫度或成分有關(guān)的學(xué)科。

經(jīng)福謙院士[105]長(zhǎng)期從事高能量密度極端條件下的物理學(xué)研究，為我國(guó)核武器發(fā)展和“兩彈一星”的研制作出了杰出的貢獻(xiàn)。他完成了聚合爆轟波人工熱核反應(yīng)研究，并在內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)研究和地下核爆超高壓物態(tài)方程實(shí)驗(yàn)攻關(guān)中作出了一定成果；提出了嚴(yán)重稀疏范圍和信號(hào)保護(hù)通道設(shè)計(jì)的絕對(duì)保護(hù)概念。以上成果一直沿用至今。

毛河光院士[106–109]在高壓物理領(lǐng)域取得了突出成就。1976年，他第一次觀察到金剛石損壞的新形式–塑性流動(dòng)；1986年，他創(chuàng)造了550 GPa的世界最高靜壓力的紀(jì)錄，已超過(guò)地心壓力。國(guó)際上靜態(tài)超高壓研究多數(shù)都使用他發(fā)明的高壓裝置、壓力標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)或引用他的研究成果。2019年，他率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在極端高溫高壓條件下成功獲得了氫和氘的金屬態(tài)，即獲得了維格納預(yù)言的“金屬氫”。

中國(guó)工程物理研究院徐濟(jì)安教授曾于1986年在國(guó)際上最早創(chuàng)立了高壓紅寶石定標(biāo)法，這種方法是高壓科學(xué)研究領(lǐng)域沿用至今的最基本的定標(biāo)法。他發(fā)明的新型SiC對(duì)頂砧高壓容器首次突破了非金剛石砧58 GPa的高壓極限，該高壓容器是目前高壓中子研究的最基本工具。

過(guò)去的十幾年里，科學(xué)家已把成熟的高壓技術(shù)推廣應(yīng)用到更為寬廣的領(lǐng)域。如能源科學(xué) 資源環(huán)境以及生物技術(shù)等。高壓和物理、化學(xué)、材料工程的交叉和結(jié)合，取得了巨大的進(jìn)展，正在改變?nèi)藗儗?duì)周?chē)澜绲恼J(rèn)識(shí)。

XVI.固體物理學(xué)教材

1940年，瑞士物理學(xué)家塞茲的專(zhuān)著《近代固體理論》為以后的固體物理學(xué)教材提供了樣板。之后，伴隨著固體物理學(xué)的迅猛發(fā)展，他們從1955年開(kāi)始，幾乎每年都要出一本《固體物理學(xué)—— 研究與應(yīng)用的進(jìn)展》，以便收集各分支最新進(jìn)展的綜述，一直持續(xù)到今天。

國(guó)外學(xué)者編寫(xiě)了兩本具有代表性的固體物理教材——1953年加州大學(xué)伯克利分?；柕摹禝ntroduction to Solid State Physics》[110]和1976年康奈爾大學(xué)阿什克羅夫特(N.W.Ashcroft)的《Solid State Physics》[111]。前者基泰爾體系注重結(jié)論，用數(shù)學(xué)的方式直接給出定律、概念，說(shuō)明這些定律的適用條件，給出結(jié)果和結(jié)論；后者Ashcroft體系注重過(guò)程，用物理的方式建立簡(jiǎn)單而容易接受的模型，得到不完善的定律并找出問(wèn)題所在，修正模型、再演繹更準(zhǔn)確的定律。

國(guó)外比較有名的固體物理教材還有埃倫賴希(H.Ehrenreich)[112]等1970年編著經(jīng)典教材《Solid State Physics》，多次被引用。尤其是1971年帕特森(J.Patterson)等編著的《Solid-State Physics:Introduction to the Theory》[113]。該書(shū)首先介紹晶體結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)，其次介紹晶格振動(dòng)和熱特性，然后介紹勢(shì)場(chǎng)中的電子，接著介紹電子的相互作用和晶格振動(dòng)，最后介紹各種材料，如金屬、合金、半導(dǎo)體、磁性材料、超導(dǎo)電性、電介質(zhì)和鐵電體以及固體的光學(xué)特性等；該書(shū)非常經(jīng)典，為以后的教材提供了樣板；但是其缺點(diǎn)在于不能從最簡(jiǎn)單的核外價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)講起，導(dǎo)致起點(diǎn)難度有點(diǎn)大，要求學(xué)生一開(kāi)始就要有較強(qiáng)的空間想象能力。

馬德 (M.P.Marder)等編著的《Solid State Physics》內(nèi)容包含了很多固體物理新進(jìn)展。伊巴赫(H.Ibach)等編著的教材《Solid State Physics:An Introduction to Principles of Materials Science》[114]以實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的視角展示了固體物理。該書(shū)自1981年開(kāi)始，總共再版了7次。此外，2009年匹茲堡大學(xué)斯諾克（D.Snoke）教授編著的教材《Solid State Physics,Essential concepts》[115]起點(diǎn)低，簡(jiǎn)單易學(xué)。比如第一章就以一種極其自然直觀的方式引入了能帶的概念，圖文并茂；該書(shū)內(nèi)容豐富，既有最基礎(chǔ)的固體物理內(nèi)容，也有比較現(xiàn)代的凝聚態(tài)理論的主題；所有的模型都通過(guò)最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出，思路清晰。

程開(kāi)甲1957年出版了我國(guó)第一部《固體物理學(xué)》教科書(shū)[116]，對(duì)中國(guó)固體物理的教學(xué)與科研起到了重要作用。黃昆1966年出版了他的《固體物理》著作，屬于基泰爾體系，直接給出各種結(jié)論及其推導(dǎo)，最為經(jīng)典。此后我國(guó)編著固體物理教材不下20多個(gè)版本，比較有代表性的有：閻守勝主編的《固體物理基礎(chǔ)》[117]和顧秉林、王喜昆主編的《固體物理學(xué)》[118]，均屬于Ashcroft體系。

此外，還有2014年費(fèi)維棟主編的《固體物理》，胡安、章維益2011年主編的《固體物理學(xué)》，陸棟、蔣平2011年主編的《固體物理學(xué)》，孫會(huì)元2010年主編的《固體物理基礎(chǔ)》，王奉衿2008年主編的《固體物理教程》，吳代鳴2007年主編的《固體物理基礎(chǔ)》，陳長(zhǎng)樂(lè)2007年主編的《固體物理學(xué)》，朱建國(guó)等2005年主編《固體物理學(xué)》，陸棟、蔣平、徐至中2003年主編的《固體物理學(xué)》，閻守勝2000年主編的《固體物理基礎(chǔ)》，顧秉林、王喜昆1989年主編的《固體物理學(xué)》，黃昆原著和韓汝琦1988年改編的《固體物理學(xué)》，方俊鑫、陸棟1981年主編的《固體物理學(xué)》，謝希德院士也多次與方俊鑫、陸棟等合作編著《固體物理》相關(guān)教材。尤其是值得指出的是，馮端院士和金國(guó)鈞教授2013年出版了《凝聚態(tài)物理學(xué)》（上下卷）這一巨著。這些教材[119–130]各具特色，在繼承中不斷積累，在揚(yáng)棄中不斷進(jìn)步；都為我國(guó)固體物理學(xué)的發(fā)展和人才培養(yǎng)起到了積極的推動(dòng)作用。

致 謝

本文獲得齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）2020年教學(xué)改革研究項(xiàng)目（課程專(zhuān)項(xiàng)改革）立項(xiàng)一般項(xiàng)目（KCZX202039）、齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）2020年校級(jí)教研項(xiàng)目立項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（2020ZD01）和2020年度第二批教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目的支持。