固體物理學(xué)（固體 state physics）是研究固體的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、固體中各種粒子運動形態(tài)和規(guī)律及它們相互關(guān)系的學(xué)科。物理學(xué)的重要分支，涉及力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)等各方面的內(nèi)容。固體的應(yīng)用極為廣泛，各個時代都有自己特色的固體材料、器件和有關(guān)制品。現(xiàn)代固體物理形成于20世紀前40年代，它是先進的微電子、光電子、光子等各項技術(shù)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)，其重要性是顯然的。
固體物理學(xué)的成就和實驗手段對化學(xué)物理、催化學(xué)科、生命科學(xué)、地球科學(xué)等的影響日益增長，正在形成新的交叉領(lǐng)域。
固體分類
固體通常指在承受切應(yīng)力時具有一定程度剛性的物質(zhì)，包括晶體和非晶態(tài)固體。固體是由大量原子（離子或分子）凝聚成相對穩(wěn)定而緊密的、有自持形狀的、能承受切應(yīng)力的物體。按原子排列的特點，固體可分為晶體、準晶體和非晶體三大類。組成晶體的粒子，在三維空間的排列形成晶格，具有周期性及與周期性相容的空間取向有序性。所有晶體可分成三斜晶系、單斜晶系、正交、四方、三角、六角和立方七個晶系。晶體的對稱性，可由32個點群和230個空間群描述。1984年D.謝虛曼等發(fā)現(xiàn)準晶體，它的組成粒子在空間的排列形成準晶格，沒有周期性而有區(qū)別于晶體的空間取向序。非晶固體又稱無定形固體或玻璃固體，其中的粒子排列是無序的。但在1—2個原子間距范圍，由于化學(xué)鍵的作用，在總體無序結(jié)構(gòu)中存在短程有序。用X射線、電子束、中子束衍射技術(shù)等可鑒別和測定這三類固體的結(jié)構(gòu)。
固體結(jié)合
按相鄰粒子間化學(xué)鍵的特點，固體有五類結(jié)合，即金屬鍵合、離子鍵合、共價鍵合、分子鍵合 及氫鍵合。前三種鍵合是強化學(xué)鍵，平均每個原子的結(jié)合能為幾個電子伏；后兩種是弱化學(xué)鍵，結(jié)合能約十分之幾電子伏。金屬、合金及準晶體都是金屬鍵合。這些固體所有原子的價電子都脫離其原子，形成能在整個固體中自由運動的電子氣。失去價電子的所有原子實埋在電子氣中，形成緊密并有周期性的晶格或無周期性的準晶格。離子晶體靠其中正、陰離子之間的靜電相互作用結(jié)合成晶體。碳之間以共價鍵方式結(jié)合成金剛石。砷化鎵晶體也是共價晶體，但含有部分離子鍵合，這類材料稱為極性晶體。分子是電中性的，但由于其正、負中心不重合而有電偶極矩。分子靠它們電偶極矩間的范德·瓦耳斯力而結(jié)合成晶體。氫原子是特殊的原子，只有一個價電子，原子實就是氫核，它可同時與兩個負電性強的原子結(jié)合成非對稱氫鍵，在水和冰及生命物質(zhì)大分子核糖核酸、脫氧核糖核酸中氫鍵起重要作用。
固體的電子態(tài)
固體中電子的狀態(tài)和行為是了解固體的物理、化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)。G.維德曼和R.夫蘭茲于1 853年由實驗確定了金屬導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性之間的關(guān)系的經(jīng)驗定律。1897年發(fā)現(xiàn)電子，E.李開在1898年和P.德魯?shù)略?900年提出金屬自由電子氣模型。H.亨德里克·洛倫茲在1905年建立了自由電子氣的經(jīng)典統(tǒng)計理論，能夠解釋上述經(jīng)驗定律，但無法說明常溫下金屬電子氣對比熱容的貢獻甚小。W.沃爾夫?qū)づ堇?/a>在1927年首先用量子統(tǒng)計成功地計算了自由電子氣的順磁性，A.阿諾德·索末菲在1928年用量子統(tǒng)計求得電子氣的比熱容和輸運現(xiàn)象，解決了經(jīng)典理論的困難。在絕熱近似下，討論固體中電子問題時，可認為離子是固定在瞬時的位置上，所以是多電子問題。利用哈特里-福克自洽場方法，又簡化為單電子問題，每個電子在固定的離子勢場和其他電子的平均場中運動。絕對零度時，這些勢場具有點陣周期性。因而簡化成周期場中的單電子問題。1928年F.布洛赫和1930年L.路易·布里淵等，從不同角度研究了在周期場中電子運動的基本特點，在研究晶體周期性勢場中單電子的量子態(tài)以及單電子在外電場的行為時，奠定了能帶理論基礎(chǔ)。在晶體周期場中單電子的波函數(shù)是振幅按點陣周期調(diào)制的平面波，稱為布洛赫波。電子的本征能量，既不是像孤立原子中分立的電子能級，也不是像無限空間中自由電子所具有的連續(xù)的能級，而是在一定能量范圍內(nèi)準連續(xù)的能級組成的能帶。相鄰兩個能帶之間的能量范圍是完整晶體中電子不許可具有的能量，稱為禁帶。利用能帶的特征以及泡利不相容原理，A.威耳孫在1931年提出金屬和絕緣體相區(qū)別的能帶模型，并預(yù)言介于兩者之間存在半導(dǎo)體，為爾后的半導(dǎo)體的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)（見金屬電子論、固體的能帶）。
在30年代，E.尤金·維格納和F.塞茨等用群論處理晶體中電子態(tài)的問題，能帶理論得到進一步發(fā)展。經(jīng)過許多學(xué)者的努力，相繼提出了多種計算能帶的方案。例如，緊束縛方法、元胞法、正交化平面波法、綴加平面波法、格林函數(shù)法、贗勢法以及后來發(fā)展起來的線性化能帶計算法等。60年代P.霍恩貝格、W.科恩和沈呂九（L.J.Sham）等發(fā)展了局域密度泛函理論，使能帶理論有更嚴格的基礎(chǔ)。由于計算技術(shù)高度發(fā)展，已有可能對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的晶體的能帶作自洽計算，得到良好的結(jié)果。大量事實表明，對于一般金屬和典型的半導(dǎo)體，能帶理論給出半定量或定量的結(jié)果，同實驗的數(shù)據(jù)相當(dāng)符合。對合金的能帶理論，英國的學(xué)者曾經(jīng)作了很多工作，并對合金的物理性質(zhì)進行了簡明的理論解釋。70年代出現(xiàn)的相干勢近似方法將使合金理論得到新的發(fā)展（見合金電子理論）。
晶體能帶結(jié)構(gòu)的實驗研究也很有成效。半導(dǎo)體能帶的特征表現(xiàn)于它的導(dǎo)帶底部電子和價帶頂部空穴的有效質(zhì)量。50年代出現(xiàn)的回旋共振實驗技術(shù)能夠直接測定載流子的有效質(zhì)量。金屬能帶結(jié)構(gòu)的特征在于它的費密面的形狀。從50年代起人們利用德哈斯－范阿耳芬效應(yīng)等方法可以相當(dāng)有效地測定費密面的結(jié)構(gòu)。關(guān)于能量狀態(tài)密度的實驗數(shù)據(jù)，早年取自軟X射線發(fā)射譜。低溫電子比熱容測量一直是測量費密能級附近態(tài)密度的有效手段。70年代起從光電子能譜得到的態(tài)密度數(shù)據(jù)更精確。真空紫外光譜術(shù)、調(diào)制光譜術(shù)、光散射效應(yīng)等新的實驗手段使得能帶結(jié)構(gòu)實驗研究的內(nèi)容更加豐富。
能帶理論結(jié)合半導(dǎo)體鍺和硅的基礎(chǔ)研究促進微電子技術(shù)的發(fā)展，是正在醞釀的新的技術(shù)革命的核心，給人們帶來巨大的利益。貝爾實驗室的科學(xué)家進行了系統(tǒng)的實驗和理論的基礎(chǔ)研究，同時掌握了高質(zhì)量半導(dǎo)體單晶生長和摻雜技術(shù)，導(dǎo)致J.巴丁、W.布喇頓以及W.肖克萊于1947—1948年發(fā)明晶體管。多年來隨著集成電路的發(fā) 展，計算機技術(shù)日新月異，對社會各部門的影響極為深遠。
當(dāng)大量原子凝聚成晶體時，原子中的電子能級被展寬成能帶。能帶寬度決定于相鄰原子中電子態(tài)的交疊程度，內(nèi)層電子受原子核束縛緊，與近鄰相應(yīng)電子態(tài)交疊，能帶很窄；外層價電子受原子實的束縛弱，電子態(tài)相互交疊，形成的能帶（價帶）的寬度較大。相鄰兩個能帶之間不存在晶體電子態(tài)的能量范圍，稱為禁帶或能隙。在能帶里電子態(tài)是受周期場調(diào)制的平面波，稱為布洛赫波。任一能帶被電子填滿時稱為滿帶，滿帶不能導(dǎo)電。原子滿殼層對應(yīng)的能帶是滿帶。部分狀態(tài)被電子占據(jù)的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶電子可參與導(dǎo)電。絕緣體是這樣的晶體，其價帶是滿帶，隔一個寬度電子伏的禁帶才有一個空無電子的能帶。半導(dǎo)體的能帶與絕緣體相似，只是價帶之上的禁帶較小。如硅的電子伏（室溫），硅價帶有部分電子受熱激發(fā)跳到E之上使本來空的能帶變成導(dǎo)帶；同時在價帶留下空狀態(tài)，也可參與導(dǎo)電，其行為等效于每個空狀態(tài)作為一個帶正電荷的自由粒子，稱為空穴。
金屬是能量最高的能帶未填滿的晶體。能帶中每個電子態(tài)至多容納自旋相反的兩個電子，電子從能量最低的狀態(tài)填起，直到能量為的最高態(tài)，稱為費米能量，相應(yīng)的能級稱為費米能級。金屬的E約為幾個電子伏。20世紀60年代W.科恩等發(fā)展密度泛函理論，使能帶理論基礎(chǔ)更加堅實。計算機的發(fā)展和計算方法的進步，使能帶計算結(jié)果更加精確。
非晶體中原子排列呈無序結(jié)構(gòu)，電子在無序勢場中運動。1958年P(guān).安德森論證了當(dāng)無序足夠強時，所有電子態(tài)都是定域態(tài)。定域態(tài)中電子對固體導(dǎo)電沒有貢獻。與之對照，平面波或布洛赫波代表的電子態(tài)稱為擴展態(tài)。在這基礎(chǔ)上N.莫脫提出非晶半導(dǎo)體的能帶模型：在價帶頂部和導(dǎo)帶底部分別存在一個遷移率邊E和E將各自能帶的定域態(tài)和擴展態(tài)分開。非晶半導(dǎo)體的導(dǎo)電行為取決于其費米能級落在定域態(tài)還是擴展態(tài)。
準晶格中各個原子的配位數(shù)（即最近鄰原子數(shù)）不是同一整數(shù)，而是各異的整數(shù)；各原子與最近鄰原子間距也不是同一長度，因而電子態(tài)間交疊也不同。準晶體的電子態(tài)有擴展態(tài)、定域態(tài)和介于這兩者之間的臨界態(tài)。
半導(dǎo)體
導(dǎo)電能力遠遠小于金屬，但對環(huán)境溫度、摻入雜質(zhì)、光照、應(yīng)力等因素很敏感。1947年W.肖克萊、J.巴丁和W.布拉坦發(fā)明鍺晶體管，1960年硅晶體管平面工藝問世，1962年出現(xiàn)集成電路（IC），1968年起生產(chǎn)大規(guī)模集成電路。此后，半導(dǎo)體器件集成度以每18個月增加一倍的速度發(fā)展，現(xiàn)今在單個硅芯片上可集成晶體管達十億個，大尺寸硅單晶是信息產(chǎn)業(yè)的主要材料。
硅是4價元素，凝聚成共價晶體。摻入5價的磷或，形成電子導(dǎo)電的N型硅。若摻入3價的硼或鋁，硅的價帶具有帶正電荷粒子的導(dǎo)電行為，稱之為P型硅。半導(dǎo)體的P型和N型區(qū)會接處是一個PN結(jié)。當(dāng)P區(qū)相對對N區(qū)處于正電勢（即正向電壓）時，通過PN結(jié)的電流很大；而電壓反向時電流很小。因此，PN結(jié)具有整流性質(zhì)。晶體管則是兩個背靠背的PN結(jié)構(gòu)成的PNP或NPN三極管，具有放大電流信號的功能。1975年W.斯皮爾等解決了非晶硅也能摻雜成為N型或P型的技術(shù)。1976年就有非晶硅太陽能電池問世，其轉(zhuǎn)換效率已達。
Ⅲ–Ⅴ族和Ⅱ–Ⅵ族極性半導(dǎo)體的大多數(shù)都是具有直接能隙的材料，非常有利于導(dǎo)帶電子與價帶空穴直接復(fù)合，發(fā)射出相應(yīng)頻率的光，這些半導(dǎo)體的PN結(jié)可作為發(fā)光二極管，光的顏色取決于半導(dǎo)體材料。經(jīng)特殊設(shè)計的砷化鎵PN結(jié)或砷化鎵–鋁鎵砷異質(zhì)結(jié)，在特定工作條件下會產(chǎn)生受激輻射和光放大，發(fā)射出具有相干性的確定頻率的光，這就是半導(dǎo)體激光。1969年江崎等提出半導(dǎo)體超晶格的新概念，此后超晶格和量子阱成為半導(dǎo)體物理研究和光電器件開發(fā)的重要領(lǐng)域。半導(dǎo)體亦是光通信、光電子技術(shù)、光子技術(shù)的重要支柱。
硅微電子技術(shù)正向它的“極限”發(fā)展，當(dāng)器件中線條寬度縮小到納米尺度，便與電子的路易·德布羅意波長相當(dāng)，這時量子效應(yīng)凸現(xiàn)。依照電子受限制的條件，半導(dǎo)體納米器件大體有量子點器件、共振隧穿器件和單電子器件三類。
20世紀60年代起，在金屬–氧化物硅場效應(yīng)管（MOSFET）的溝道中及異質(zhì)結(jié)量子阱中二維電子氣成為熱點研究領(lǐng)域。von.克利青于1980年發(fā)現(xiàn)霍耳電阻：
呈平臺，n為整數(shù)，稱為整數(shù)量子霍耳效應(yīng)，已被國際計量機構(gòu)選作電阻標準。1982年崔琦，H.施特默等發(fā)現(xiàn)新的霍耳電阻平臺，n為奇分母有理數(shù)，稱為分數(shù)量子霍耳效應(yīng)。R.勞克林于1983年對該效應(yīng)給出理論闡明。
介電晶體
以極化方式響應(yīng)外加電場的非金屬的晶體。以單位體積中電偶極矩之和即極化強度P作為量度。當(dāng)電場E遠小于原子內(nèi)部電場時，。χ稱為晶體的極化率，為真空介電常數(shù)（電容率）。而晶體的介電常數(shù)。鐵電體是特殊的介電晶體，在沒有外電場時晶體內(nèi)具有自發(fā)極化。及都是鐵電體。前兩者的鐵電性來源于晶體中正、陰離子在一定溫度發(fā)生位移引起結(jié)構(gòu)相變，伴生自發(fā)極化。KDP的鐵電性來源于晶體中氫鍵從無序態(tài)變?yōu)橛行驊B(tài)時伴生的自發(fā)極化。鐵電體又是壓電晶體，但壓電晶體諸如石英就不是鐵電體。
按照詹姆斯·麥克斯韋電磁場理論，固體的光頻ω的介電函數(shù)ε(ω)正比于固體折射率n(ω)的平方。考慮到固體同時有色散和光吸收，ε(ω)應(yīng)寫成復(fù)函數(shù)，其虛部與光吸收關(guān)聯(lián)。能帶理論用于計算固體的光吸收，可給出ε(ω)與各種電子光躍遷過程之間的關(guān)系。
激光的光電場非常強，甚至可超過了原子內(nèi)部的電場，這時必須考慮非線性極化現(xiàn)象，即極化強度P還含和項。具有非線性極化的晶體稱為非線性光學(xué)晶體。晶體就是中國學(xué)者研制開發(fā)的非線性光學(xué)晶體。非線性光學(xué)效應(yīng)使無線電范圍常用的倍頻、參量放大等功能可移植到光波領(lǐng)域，構(gòu)成光通信技術(shù)的必要基礎(chǔ)。
固體磁性
指固體具有的來源于電子自旋和軌道磁矩的一種物性。抗磁性是物質(zhì)的通性，來源于電子軌道因外磁場而發(fā)生變化所產(chǎn)生的與磁場反向的微弱磁矩。金屬的磁性比較復(fù)雜，除上述抗磁性外，還有源于金屬電子氣自旋磁矩的總和趨于同磁場平行的順磁性。非金屬順磁體的磁性來源于固體中原子或離子固有磁矩趨于與磁場的同向排列。原子核亦有磁矩，核磁共振已成為探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有力工具。核磁共振成像技術(shù)則是當(dāng)今疾病診斷的重要手段。
鐵磁性和亞鐵磁性是兩類磁有序結(jié)構(gòu)固體具有的強磁性。溫度在居里點T以上固體呈順磁性，在居里點T時發(fā)生相變而呈鐵磁性或亞鐵磁性。1907年P(guān).皮埃爾·外斯用分子場唯象理論解釋鐵磁性。1926年實驗確定過渡金屬鐵磁性來源于3d殼層的電子自旋磁矩。W.海森伯格在1928年以固體中原子之間電子自旋的直接交換作用給予分子場量子力學(xué)的解釋。1934年E.斯通納提出巡游電子模型，可解釋一部分實驗規(guī)律。20世紀50年代M.茹德曼、C.基泰耳、T.糟谷和K.芳田奎提出固體中兩個相鄰局域磁矩通過傳導(dǎo)電子氣為媒介傳遞的間接交換作用，稱為RKKY互作用，其特點是互作用能隨兩磁矩間距離呈振蕩型衰減。亞鐵磁性是由于一些化合物晶體中含有兩種磁性離子，它們有不相等的電子自旋磁矩，且按磁矩反平行方式排列形成兩個磁子晶格。鐵氧體就是典型例子，在高頻和微波領(lǐng)域有重要應(yīng)用。反鐵磁體和二價鐵磁體相似，但其兩個磁子晶格的離子磁矩大小相等而反平行排列。反鐵磁體的溫度高于奈耳點T，其反鐵磁性消失，變?yōu)轫槾判浴?a href="/hebeideji/7064127024983119373.html">銅氧化物高溫超導(dǎo)體未摻雜的母材具有反鐵磁性。
非晶磁性材料和各種磁記錄材料發(fā)展迅猛，特別是磁光記錄材料將應(yīng)用延伸到光波領(lǐng)域。1988年在多層磁薄膜中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)，后來又發(fā)現(xiàn)具有超巨磁電阻效應(yīng)的新磁性晶體，為發(fā)展磁電子學(xué)提供了基礎(chǔ)。
固體磁性是一個有很久歷史的研究領(lǐng)域。抗磁性是物質(zhì)的通性，來源于在磁場中電子的軌道運動的變化。從20世紀初至30年代，經(jīng)過許多學(xué)者努力建立了抗磁性的基本理論。范扶累克在1932年證明在某些抗磁分子中會出現(xiàn)順磁性；列夫·達維多維奇·朗道在1930年證明導(dǎo)體中傳導(dǎo)電子的非局域的軌道運動也產(chǎn)生抗磁性，這是量子的效應(yīng)；解釋了石墨和某些金屬之所以具有反常大的抗磁性。瑪麗·居里在1895年測定了順磁體磁化率的溫度關(guān)系，朗之萬在1905年給出順磁性的經(jīng)典統(tǒng)計理論，得出居里定律。順磁性的量子理論連同大量的實驗研究，導(dǎo)致順磁鹽絕熱去磁致冷技術(shù)出現(xiàn)，電子順磁共振技術(shù)和微波激射放大器的發(fā)明，以及固體波譜學(xué)的建立。關(guān)于鐵磁體，1926年人們從實驗中判知鐵磁性同電子自旋磁矩有關(guān)。L.奈耳在1932年提出反鐵磁體的唯象理論，后來人們的確發(fā)現(xiàn)過渡金屬氧化物有反鐵磁性。H.克喇末在1934年和P.安德森在1950年相繼提出通過氧離子耦合的交換作用解釋氧化物的反鐵磁性。這一理論已成為在技術(shù)上有重要應(yīng)用的鐵氧體的亞鐵磁性的基礎(chǔ)。鉻是反鐵磁體但沒有局域磁矩，其根源在于每一種自旋的電子密度在空間有周期性的變化，即形成自旋密度波。稀土金屬的鐵磁性，來源于未滿的4f殼層的局域磁矩。它們通過巡游電子耦合趨于平行排列，產(chǎn)生鐵磁性。居里點很低的弱鐵磁體，其中沒有局域磁矩，它的鐵磁性同自旋密度的起伏有關(guān)。過渡金屬的鐵磁性是一個困難又復(fù)雜的多體問題，還沒有比較滿意的理論處理。
電子具有自旋和磁矩，它們和電子在晶體中的軌道運動一起，決定了晶體的磁學(xué)性質(zhì)，晶體的許多性質(zhì)（如力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)等）常常不是各向同性的。作為一個整體的點陣，有大量內(nèi)部自由度，因此具有大量的集體運動方式，具有各式各樣的元激發(fā)。
超導(dǎo)電性
在很低的溫度，由于熱擾動強度降低，在某些固體中出現(xiàn)宏觀量子現(xiàn)象。海克·昂內(nèi)斯于1911年發(fā)現(xiàn)汞在T=4.2K完全失去電阻，他稱此特性為超導(dǎo)電性，T為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。1933年W.邁斯納等發(fā)現(xiàn)金屬在超導(dǎo)態(tài)時具有完全抗磁性。后來人們又發(fā)現(xiàn)溫度在T時金屬的比熱發(fā)生突變。根據(jù)這些特性，建立了超導(dǎo)體的電磁理 論和熱力學(xué)。1946年F.倫敦預(yù)言超導(dǎo)電性是宏觀量子現(xiàn)象，并存在磁通量量子。1961年實驗測定的磁通量子。這正好符合1956年L.庫珀提出的金屬費米面上電子配對（稱為庫珀對）的概念。H.弗羅利希在1950年提出超導(dǎo)電性來源于金屬中電子和點陣波的耦合，預(yù)言并發(fā)現(xiàn)T依賴晶格原子質(zhì)量的同位素效應(yīng)。1957年J.巴丁、L.庫珀和J.施里弗成功提出以電子–聲子相互作用引起費米面附近電子配對為基礎(chǔ)的超導(dǎo)微觀理論，稱為BCS理論。1960年I.加埃沃發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)，并可用它測定超導(dǎo)態(tài)能隙2Δ隨溫度T的變化規(guī)律，支持了BCS理論。1950—1959年，V.京茨堡、L.列夫·達維多維奇·朗道、A.阿布里考索夫和L.戈科夫建立并論證了超導(dǎo)態(tài)宏觀波函數(shù)應(yīng)滿足的方程組，并由此導(dǎo)出第二類超導(dǎo)體的基本特性。發(fā)展了一種用序參量描述超導(dǎo)態(tài)的理論，稱為ΓЛΑΓ（GLAG）理論。
繼江崎玲于奈在1957年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體中的隧道效應(yīng)之后，I.加埃沃于1960年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)，由此效應(yīng)可求得超導(dǎo)體的重要的信息。1962年B.布賴恩·約瑟夫森預(yù)言庫珀對也有隧道效應(yīng)，能夠無阻地穿過夾在兩超導(dǎo)體S之間極薄絕緣層Ⅰ形成的S–Ⅰ–S結(jié)構(gòu)的約瑟夫森結(jié)。在不加外電場時，這是直流約瑟夫森效應(yīng)。若結(jié)的兩端加電壓V，則通過結(jié)的是頻率的超導(dǎo)交變電流。這是交流約瑟夫森效應(yīng)，并被國際計量機構(gòu)選作電壓標準。在約瑟夫森結(jié)的基礎(chǔ)上，人們又開拓出超導(dǎo)量子干涉現(xiàn)象和有關(guān)器件，成為超導(dǎo)電子學(xué)的主流。從此開拓了超導(dǎo)宏觀量子干涉現(xiàn)象及其應(yīng)用的新領(lǐng)域。此外，液氦的超流動性，某些半導(dǎo)體中的電子－空穴液滴，以及若干二維體系中的分數(shù)量子霍耳效應(yīng)等都是宏觀的量子現(xiàn)象，受到人們重視，已成為重要的研究領(lǐng)域。
1986年K.弗里德里希·繆勒和J.貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)銅氧化物具有高于30K的超導(dǎo)現(xiàn)象，這是新的里程碑。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的T最高值是汞鋇鈣銅氧化物超導(dǎo)體，。高超導(dǎo)體可在液氮溫區(qū)實現(xiàn)各種應(yīng)用，有非常大的發(fā)展前景。但這類超導(dǎo)體的微觀機制尚在探索之中。
固體的元激發(fā)
在固體中，粒子之間種種各具特點的耦合方式，導(dǎo)致粒子具有特定的集體運動形式和個 體運動形式，造成不同的固體有千差萬別的物理性質(zhì)。W.哈密頓在1839年討論了排成陣列的質(zhì)點系的微振動。1907年阿爾伯特·愛因斯坦首先用量子論處理固體中原子的振動。他的模型很簡單，各個原子獨立地作同一頻率的振動。P.德拜在1912年采用連續(xù)介質(zhì)模型重新討論了這問題，得到固體低溫比熱容的正確的溫度關(guān)系。M.馬克斯·玻恩和von.卡門同時開始建立點陣動力學(xué)的基礎(chǔ)。在原子間的力是簡諧力的情況下，晶體原子振動形成各種模式的點陣波。這種波的能量量子稱為聲子。它對固體的比熱容、熱導(dǎo)、電導(dǎo)、光學(xué)性質(zhì)等都起重要作用。離子晶體中離子振動同電磁場發(fā)生作用，影響著晶體的介電性質(zhì)和光學(xué)現(xiàn)象。50年代黃昆提出電磁場振蕩和極性晶體的橫向光頻支點陣波相互作用形成新的耦合模式。后來，人們稱此模式為電磁耦合場振蕩，相應(yīng)的能量量子稱為極化激元。
D.派尼斯和D.戴維·玻姆在1953年提出：由于庫侖作用的長程性質(zhì)，固體中電子氣的密度起伏形成縱向振蕩，稱為等離子體振蕩。這種振蕩的能量量子稱為等離激元。實驗證明，電子束通過金屬薄膜的能量損耗來源于激發(fā)電子氣的等離激元。考慮到電子間的互作用，能帶理論的單電子狀態(tài)變成準電子狀態(tài)，但準電子的有效質(zhì)量包含了多粒子相互作用的效應(yīng)。同樣，空穴也變成準粒子。在半導(dǎo)體中電子和空穴之間有屏蔽的庫侖吸引作用，它們結(jié)合成激子，這是一種復(fù)合的準粒子。
固體的元激發(fā)實際上是有關(guān)多粒子體系的特定運動形式的基元。它們可分成兩類：費密子和玻色子。金屬和半導(dǎo)體中的電子和空穴，以及極性晶體中的極化子都是費密子，它們服從費密統(tǒng)計。它們代表體系的單粒子激發(fā)，可用有效質(zhì)量和動量描述其動力學(xué)性質(zhì)。薩特延德拉·玻色子服從玻色統(tǒng)計。在固體中聲子、等離激元、磁有序物質(zhì)中的自旋波量子等都是玻色子。它們描述體系中粒子集體運動的能量量子。極化激元是橫向光頻支聲子和光子組合的復(fù)合粒子。激子也可以用光子耦合形成另一種極化激元。這兩種極化激元都是玻色子。研究固體的元激發(fā)和有關(guān)的物性已經(jīng)成為重要的領(lǐng)域，在這方面，理論上的量子統(tǒng)計物理方法、實驗上的各種光譜和電子能譜技術(shù)都起著巨大的作用（見點陣動力學(xué)、固體的多電子量子理論）。
固體中原子或電子的數(shù)密度都是很高的。原子之間、電子之間、電子自旋之間都有相互作用，產(chǎn)生不同的集體運動形式，都有各自的基態(tài)和低能量激發(fā)的基元，即元激發(fā)。各種元激發(fā)可分成玻色子和費米子兩類，服從不同的統(tǒng)計分布規(guī)律。晶體原子間簡諧力的作用產(chǎn)生的集體運動是各種模式的格波，其元激發(fā)是聲子。金屬電子氣里電子庫侖互作用產(chǎn)生等離子體振蕩，其元激發(fā)是等離體子。黃昆提出極性晶體的橫向光頻支格波與光波電磁場互作用產(chǎn)生電磁耦合場振蕩，其元激發(fā)為電磁耦合子。磁有序結(jié)構(gòu)固體中電子自旋之間互作用產(chǎn)生自旋波，其元激發(fā)是自旋波量子。這些元激發(fā)都是玻色子。導(dǎo)體中的電子和空穴，離子晶體中電子帶著晶格畸變運動所形成 的極化子，以及超導(dǎo)態(tài)的庫珀對被拆開形成的正常電子都是費米子。
固體物理學(xué)像20世紀物理學(xué)一樣，量子力學(xué)效應(yīng)、對稱性和相位是其主旋律。固體相變和臨界現(xiàn)象依賴于材料的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)，但也有共同的規(guī)律，即相變的序參量變化、臨界現(xiàn)象的標度律和普適性。雜質(zhì)和缺陷破壞了晶格的完整性，影響各種物性，故對固體的技術(shù)應(yīng)用是至關(guān)重要的。固體物理學(xué)正向結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、低維的、納米的和有機的固體以及軟物質(zhì)、生命物質(zhì)領(lǐng)域發(fā)展，并與液氦、液體和流體物理研究合流，形成更為重要的學(xué)科——凝聚態(tài)物理學(xué)。
晶體結(jié)構(gòu)結(jié)合
在相當(dāng)長的時間里，人們研究的固體主要是晶體。早在18世紀R.阿維對晶體外部的幾何規(guī)則性就有一定的認識。后來，A.奧古斯特·布拉菲在1850年導(dǎo)出14種點陣。E.費奧多羅夫在1890年和A.熊夫利在1891年以及W.巴洛在1895年各自建立了晶體對稱性的群理論。這為固體的理論發(fā)展找到基本的數(shù)學(xué)工具，影響深遠（見晶體的對稱性）。1912年von.勞厄等發(fā)現(xiàn)X射線通過晶體的衍射現(xiàn)象，證實了晶體內(nèi)部原子周期性排列的結(jié)構(gòu)。加上后來布喇格父子1913年的工作，建立了晶體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。對于磁有序結(jié)構(gòu)的晶體，增加了自旋磁矩有序排列的對稱性，直到50年代Α.舒布尼科夫才建立了磁有序晶體的對稱群理論。第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展的中子衍射技術(shù)，是磁性晶體結(jié)構(gòu)分析的重要手段。70年代出現(xiàn)了高分辨電子顯微鏡點陣成像技術(shù)，在致力于晶體結(jié)構(gòu)的觀察方面有所進步。60年代起，人們開始研究在超高真空條件下晶體解理后表面的原子結(jié)構(gòu)。20年代末發(fā)現(xiàn)的低能電子衍射技術(shù)在60年代經(jīng)過改善成為研究晶體表面的有力工具。今天發(fā)展的掃描隧道顯微鏡，可以相當(dāng)高的分辨率探測表面的原子結(jié)構(gòu)。
晶體的結(jié)構(gòu)以及它的物理、化學(xué)性質(zhì)同晶體結(jié)合的基本形式有密切關(guān)系。通常晶體結(jié)合的基本形式可分成：離子鍵合、金屬鍵合、共價鍵合、分子鍵合（范德瓦耳斯鍵合）和氫鍵合。實際晶體可能不單純是某一種結(jié)合，例如石墨就兼有共價鍵合、金屬鍵合和分子鍵合（晶體的鍵合）。根據(jù)X射線衍射強度分析和晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)、或者依據(jù)晶體價電子的局域密度分布的自洽理論計算，人們可以準確地判定該晶體具有何種鍵合形式。晶體的各種物性（如彈性、介電性、輸運性質(zhì)等）一般是各向異性的，用張量表示。每個物性張量的獨立元素的數(shù)目依賴于晶體的對稱性。同一晶體的不同物性張量之間的關(guān)系則由熱力學(xué)來確定。實際上，固體的宏觀物性是在特定的原子結(jié)構(gòu)和結(jié)合形式的條件下其內(nèi)部微觀過程在外場中的響應(yīng)（見晶體物理性能的對稱性）。
非晶態(tài)固體
非晶態(tài)固體的物理性質(zhì)同晶體有很大差別，這同它們的原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)以及各種微觀過程有密切聯(lián)系。從結(jié)構(gòu)上來分，非晶態(tài)固體有兩類（見無序體系）。一類是成分無序，在具有周期性的點陣位置上隨機分布著不同的原子（如二元無序合金）或者不同的磁矩（如無序磁性晶體）。在這類體系中物理量不再有平移對稱性。另一類是結(jié)構(gòu)無序，表征長程序的周期性完全破壞，點陣失去意義。但近鄰原子有一定的配位關(guān)系，類似于晶體的情形，因而仍然有確定的短程序。例如，金屬玻璃是無規(guī)密積結(jié)構(gòu)，而非晶硅是四面體鍵組成的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)。實際情形或許更加復(fù)雜，可能存在一些微晶結(jié)構(gòu)的原子簇。例如，非晶硅中存在非晶基元。20年代發(fā)現(xiàn)并在70年代得到發(fā)展的擴展X 射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜（EXAFS）技術(shù)成為研究非晶態(tài)固體原子結(jié)構(gòu)的重要手段。
無序體系的電子態(tài)具有其獨特的性質(zhì)，P.安德森（1958）在他的富有開創(chuàng)性的工作中，探討了無序體系中電子態(tài)局域化的條件，10年之后，N.莫脫在此基礎(chǔ)上建立了非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶模型，提出遷移率邊的概念。以非晶硅或鍺為例，它的禁帶寬度依賴于原子間的互作用，能帶寬度依賴于原子的價鍵之間的耦合。在無序體系中，電子態(tài)有局域態(tài)和擴展態(tài)之分。在局域態(tài)中的電子只有在聲子的合作下才能參加導(dǎo)電。這使得非晶態(tài)半導(dǎo)體的輸運性質(zhì)具有新穎的特點。1974年人們掌握了在非晶硅中摻雜的技術(shù)，現(xiàn)今非晶硅正成為制備廉價的高效率太陽能電池的重要材料。
非晶態(tài)合金具有特殊的物理性質(zhì)。例如，它們的電阻率較大而其溫度系數(shù)小。有的材料有很大的拉伸強度，有的具有優(yōu)異的抗腐蝕性，可與不銹鋼相比。非晶態(tài)磁性合金具有隨機變化的交換作用，可導(dǎo)致居里點的改變（大多數(shù)材料居里溫度變低），同時在無序體系中，缺陷失去原有的意義。因而非晶態(tài)磁性固體可以在較低的外磁場下達到飽和，磁損耗減小。所以，非晶態(tài)合金具有多方面用途。
關(guān)于多孔物質(zhì)的物理性質(zhì)現(xiàn)今來已開始受到人們的注意。
非晶態(tài)固體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無序性使其具有特殊的物理性質(zhì)，無序體系是一個復(fù)雜的新領(lǐng)域，非晶態(tài)固體實際上是一個亞穩(wěn)態(tài)。現(xiàn)今對許多基本問題還存在著爭論，有待進一步的探索和研究（見非晶態(tài)材料）。
相變
在固體物理學(xué)中相變占有重要地位。它涉及熔化、凝聚、凝固、晶體生長、蒸發(fā)、相平衡、相變動力學(xué)、臨界現(xiàn)象等，19世紀J.約西亞·吉布斯研究了相平衡的熱力學(xué)。后來P.厄任費斯脫在1933年對各種相變作了分類。一級相變，其特征是有明顯的體積變化和潛熱，有“過冷”或“過熱”的亞穩(wěn)態(tài)。在相變點兩相共存。固體液體相變是一級相變。另一類是二級相變，其特征是沒有體積變化和潛熱，不會有過冷或過熱的狀態(tài)。在相變點兩相不共存，但某些物性卻有躍變。鐵磁體的順磁－鐵磁相變，超導(dǎo)體的超導(dǎo)－正常相變都是二級相變。列夫·達維多維奇·朗道在1937年提出二級相變的唯象理論，用序參量描寫相變點附近的有序態(tài)。這個理論用于超導(dǎo)電性、液氦超流性、鐵電體、液晶的相變都取得成功。60年代以后，人們對發(fā)生相變點的臨界現(xiàn)象做了大量研究，總結(jié)出標度律和普適性。L.卡達諾夫在1966年指出在臨界點粒子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)起重要作用。K.威耳孫在1971年采用量子場論中重正化群方法，論證了臨界現(xiàn)象的標度律和普適性，并計算了臨界指數(shù)，取得成功。
鐵電體和反鐵電體中位移型的結(jié)構(gòu)相變，同居里點附近某個點陣波模式的頻率反常變小或趨于零的現(xiàn)象，即所謂軟模效應(yīng)，有密切的關(guān)系。某些固體其特征物性沿一定方向周期變化，此周期與點陣的周期可能通約或不可通約，分別形成有公度相和無公度相。此外，關(guān)于餃子相的由來和性質(zhì)，二維體系相變的新特點等都是人們很重視的課題（見固體中的相變）。
晶體缺陷
實際晶體或多或少存在各種雜質(zhì)和缺陷。依照傳統(tǒng)的分類有：點缺陷、線缺陷（見位錯）和面缺陷。它們對固體的物性以及功能材料的技術(shù)性能都起重要的作用。半導(dǎo)體的電學(xué)、發(fā)光學(xué)等性質(zhì)依賴于其中的雜質(zhì)和缺陷。大規(guī)模集成電路的工藝中控制（和利用）雜質(zhì)和缺陷是極為重要的。現(xiàn)今人們感興趣的有深能級雜質(zhì)、發(fā)光中心機理、無輻射躍遷的微觀過程等。H.貝特在1929年用群論方法分析晶體中雜質(zhì)離子的電子能級的分裂，開辟了晶體場的新領(lǐng)域。數(shù)十年來在這領(lǐng)域積累了大量的研究成果，為順磁共振技術(shù)、微波激射放大器、固體激光器的出現(xiàn)準備了基礎(chǔ)。金屬中的雜質(zhì)對其物理性質(zhì)有廣泛的影響。最為突出的是磁性雜質(zhì)對金屬低溫下物性的影響，這個現(xiàn)象稱為近藤效應(yīng)，因為近藤淳在1946年首先提出說明這現(xiàn)象的理論。磁雜質(zhì)對超導(dǎo)體的性質(zhì)有顯著影響，會降低其臨界溫度。在特殊物質(zhì)（例如，）中，近藤雜質(zhì)可使這合金在一定溫度進入超導(dǎo)電狀態(tài)。此外，離子晶體中的缺陷對色心現(xiàn)象和電導(dǎo)過程占有決定性的地位。
Я.夫倫克耳對金屬強度的理論值作了估計，遠大于實際的強度，這促使人們?nèi)ピO(shè)想金屬中存在某種容易滑移的線缺陷。1934年G.泰勒、E.奧羅萬和M.波拉尼獨立地提出刃位錯理論說明金屬強度。F.詹姆斯·弗蘭克在1944年根據(jù)實驗觀察結(jié)果提出螺位錯促進晶體生長的理論，后來，人們利用電子顯微術(shù)直接看到位錯的運動。位錯以及它同雜質(zhì)和缺陷的互作用對晶體的力學(xué)、電學(xué)性質(zhì)有重大影響。甚至，晶體熔化也可能同位錯的大量產(chǎn)生有關(guān)。隨著晶體生長技術(shù)發(fā)展，人們又發(fā)現(xiàn)了層錯——一種面缺陷。
硬鐵磁體、硬超導(dǎo)體、高強度金屬等材料的功能雖然很不同，但其技術(shù)性能之所以強或硬，卻都依賴于材料中一種缺陷的運動。在硬鐵磁體中這缺陷是磁疇壁（面缺陷），在超導(dǎo)體中它是量子磁通線，在高強度金屬中它是位錯線，采取適當(dāng)工藝使這些缺陷在材料的微結(jié)構(gòu)上被釘住不動，有益于提高其技術(shù)性能。
高分辨電子顯微術(shù)正促使人們在更深的層次上來研究雜質(zhì)、缺陷和它們的配位化合物。電子順磁共振、穆斯堡爾效應(yīng)、正電子湮沒技術(shù)等已成為研究雜質(zhì)和缺陷的有力手段。在理論上借助于拓撲學(xué)和非線性方程的解，正為缺陷的研究開辟新的方向（見晶體缺陷）。
超點陣和固體
這是近二十年來固體物理學(xué)中新興的領(lǐng)域。從60年代起人們開始在超高真空條件下研究晶體表面的本征特性以及吸附過程等。通過粒子束（光束、電子束、離子束或原子束）和外場（溫度、電場或磁場）與表面的相互作用，獲得有關(guān)表面的原子結(jié)構(gòu)、吸附物特征、表面電子態(tài)以及表面元激發(fā)等信息，加上表面的理論研究，形成表面物理學(xué)。這些新的實驗手段主要是各種表面能譜儀。它們及其分析方法已經(jīng)發(fā)展成為表面技術(shù)，廣泛用于大規(guī)模集成電路監(jiān)控和分析等領(lǐng)域。同體內(nèi)相比，晶體表面具有獨特的結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)性質(zhì)。這是由于表面原子所處的環(huán)境同體內(nèi)原子不一樣，在表面幾個原子層的范圍，表面的組分和原子排列形成的二維結(jié)構(gòu)都同體內(nèi)與之平行的晶面不一樣的緣故。表面微觀粒子所處的勢場同體內(nèi)不一樣，因而形成獨具特征的表面粒子的運動狀態(tài)，限制粒子只能在表面層內(nèi)運動并具有相應(yīng)的本征能量，它們的行為對表面的物理、化學(xué)性質(zhì)起重要作用。
界面有固體固體、固體－液體、固體－氣體界面之分。固體器件的基礎(chǔ)是在界面發(fā)生的物理過程，隨著微電子技術(shù)發(fā)展，器件的尺寸日益縮小，表面和界面的物理效應(yīng)更加突出。特別是硅場效應(yīng)管的硅——二氧化硅界面形成表面勢阱，在其中的電子構(gòu)成二維運動的電子氣，具有獨特的性質(zhì)，包括電子態(tài)局域化和von.克利青在1980年發(fā)現(xiàn)的量子霍耳效應(yīng)以及D.崔琦在1981年發(fā)現(xiàn)的分數(shù)量子霍耳效應(yīng)，涉及固體物理基本問題的現(xiàn)象。許多電化學(xué)過程發(fā)生在固體電解液界面，腐蝕則常發(fā)生于固體－氣體和固體－液體界面，因此界面物理和表面物理一樣具有巨大的實際意義。
能帶理論用于表面和界面的電子態(tài)的計算仍然有效。由于表面、界面電子的勢能依賴于表面態(tài)、界面態(tài)中電子的填充情況，因此計算必須是自洽的。能帶理論同表面技術(shù)的結(jié)合導(dǎo)致半導(dǎo)體超點陣材料出現(xiàn)。分子束外延技術(shù)使制備這種材料成為現(xiàn)實。再利用調(diào)制摻雜技術(shù)，可制備出高遷移率晶體管用于微波技術(shù)，以及性能優(yōu)越的激光器用于光電子學(xué)技術(shù)。用這種材料特制的樣品，在低溫和強磁場下也觀察到分數(shù)的量子霍耳效應(yīng)。金屬超點陣的研究也正在增長（見超結(jié)構(gòu)）。
低維固體還包括層狀化合物和鏈狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)以及微顆粒組成的固體。它們具有獨特的物理性質(zhì)和微觀過程。是現(xiàn)今很活躍的研究領(lǐng)域，在應(yīng)用上富有潛力。層狀結(jié)構(gòu)化合物的主要特點是它的能帶結(jié)構(gòu)和電導(dǎo)率都是各向異性的，平行于層面的電導(dǎo)率與垂直層面的電導(dǎo)率之比可達千倍至十萬倍。有的材料電導(dǎo)率可與銅、鋁相比，在層狀材料中由于費密面的結(jié)構(gòu)以及與之有關(guān)的不穩(wěn)定性質(zhì)存在著電荷密度波或自旋密度波。鏈狀材料具有準一維的結(jié)構(gòu)，有的是導(dǎo)體，有的是半導(dǎo)體，也有的在一定壓力下成為超導(dǎo)體。特別是聚乙炔等一維有機半導(dǎo)體。它具有兩種不同的基本結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)交接處是一個界區(qū)，形成類似孤立子缺陷態(tài)，摻雜可使“孤立子”帶電。它在鏈上運動引起電導(dǎo)。利用聚乙炔已可制成半導(dǎo)體器件，展示其應(yīng)用前景（見低維導(dǎo)體）。
展望
新的實驗條件和技術(shù)日新月異，正為固體物理不斷開拓新的研究領(lǐng)域。極低溫、超高壓、強磁場等極端條件、超高真空技術(shù)、表面能譜術(shù)、材料制備的新技術(shù)、同步輻射技術(shù)、核物理技術(shù)、激光技術(shù)、光散射效應(yīng)、各種粒子束技術(shù)、電子顯微術(shù)、穆斯堡爾效應(yīng)、正電子湮沒技術(shù)、磁共振技術(shù)等現(xiàn)代化實驗手段，使固體物理性質(zhì)的研究不斷向深度和廣度發(fā)展。由于固體物理本身是微電子技術(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)，也由于固體物理學(xué)科內(nèi)在的因素，固體物理的研究論文已占物理學(xué)中研究論文三分之一以上。其發(fā)展趨勢是：由體內(nèi)性質(zhì)轉(zhuǎn)向研究表面有關(guān)的性質(zhì)；由三維體系轉(zhuǎn)到低維體系；由晶態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)到非晶態(tài)物質(zhì)；由平衡態(tài)特性轉(zhuǎn)到研究瞬態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)、臨界現(xiàn)象和相變；由完整晶體轉(zhuǎn)到研究晶體中的雜質(zhì)、缺陷和各種微結(jié)構(gòu)；由普通晶體轉(zhuǎn)到研究超點陣的材料。這些基礎(chǔ)研究又將促進新技術(shù)的發(fā)展，給人們帶來實際利益。
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