凝聚态物理探讨原子、分子与人工原子分子集合体的性质与行为,横跨微观、介观与宏观尺度。研究对象包括固体、液体(如氦、光子流体、超冷原子液体)、原子气体、光子气体等。不同尺度下,研究方法与哲学有所不同。能标大小与体系特征尺度相关,能标减小意味着特征尺度增大。在最小能标下,能进行X射线衍射等实验以观测微观组成;在较高能标下,则可以测量电导、霍尔电导等。实验技术根据能标范围而异。
凝聚态系统性质受到微观细节的主导,包括费米子与玻色子的组成、参与构建准电子的电子壳层等。特征尺度增加后,宏观特征如伸缩性、储热性、光电特性成为关注点。体系的性质与有无能隙相关,外部激发体系所需能量有限或任意小。随着特征尺度增大,统计性质变得重要,维度扮演关键角色。
对称性在凝聚态物理中起关键作用。对称性破缺导致晶体序等现象的产生,使用序参量表征对称破缺,研究相变与临界现象。体系的低能激发往往与体系的维度、对称性等介观细节有关,称为普适性。通过对称破缺理论,物理学家可以避免繁琐的微观细节推导,构建唯象模型。
拓扑性质也是凝聚态物理中的重要概念。在多体物理中,拓扑性质定义了一些激发。例如,二维量子系统中的曲率二形式对应于基态波函数的陈数,刻画系统的陈类,与对称性弱相关。利用拓扑场论描述边缘理论,称为有拓扑序。这类系统在理论上与实验上都有广泛研究。
凝聚态物理是一个充满机遇与挑战的领域,涉及实验技术、理论技术的不断进步与相互促进。研究对象从传统凝聚态系统到远离平衡态、非厄米系统,甚至生物体、宇宙学的凝聚态现象。面对复杂性与混乱性,凝聚态物理提供了探索与创造的空间。