凝聚态物理学（condensed matter 物理学）是研究凝聚态物质的微观结构、微观运动、物理性质及其相互关系的物理学分支学科。凝聚态物理学是固体物理学的向外延拓，其研究对象不仅包括固体物质，还包括如液态金属、液晶等液态物质以及玻色-爱因斯坦凝聚的玻色气体和量子简并的费米气体等气体物质，涵盖了行空间和动量空间两个子空间的凝聚态。此外，凝聚态物理学的研究内容主要包括晶体结构、电子体系、界面和表面物理学、宏观量子态、纳米结构与介观物理、软物质物理学等。

早在18世纪，法国矿物学家阿维（René-Just Haüy）对晶体外部几何规则性就有一定的认识，1823年，迈克尔·法拉第成功实现了氯气的液化，并随后又实现了二氧化硫、二氧化碳、氨、氯化氢等的液化。熊夫利（A.M.Schoenflies）在1891年建立了晶体对称性的群理论，为固体物理理论的形成提供基本的理论依据。20世纪初量子力学的诞生为固体物理学的发展提供坚实的理论基础，科学家们开始利用量子力学的理论来解释固体和液体的性质和现象，如晶格振动、电子结构和磁性等。1908年荷兰物理学家海克·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）成功地液化了氦气，到了20世纪40年代物理学家将各自独立的晶体学、冶金学、弹性力学和磁学等学科统合为固体物理学，至此，固体物理学已基本建立。随着固体物理学的迅猛发展，其研究对象从固体物质到液态物质和某些特殊的气态物质，因此，固体物理学这一名称已不足以概括整个研究领域，而扩展成为“凝聚态物理学”，到了80~90年代它逐渐取代了固体物理学作为学科名称或者将固体物理学理解为凝聚态物理学的同义词。

凝聚态物理学的应用性较强，是材料、信息、能源科学发展的基础，其中金属物理学的发展大力推动了钢铁等重工业生产，半导体的研究带来了“信息文明”的进步，晶体学的研究应用于军事、激光等领域，尤其是纳米材料的研究广泛应用于生物学、医学、电子学、能源科学等领域。在未来的信息社会中，为实现各种技术领域的高速化、小型化、自动化、数学化、集成化方面，凝聚态物理学的研究将扮演重要角色。

早在18世纪，法国矿物学家阿维（René-Just Haüy）对晶体外部几何规则性就有一定的认识，19世纪人们对晶体的认识逐渐深入，1823年，迈克尔·法拉第成功实现了氯气的液化，并随后又实现了二氧化硫、二氧化碳、氨、氯化氢等的液化。1830年奥古斯特·布拉菲（A.Bravais）提出了晶体结构的空间点阵学说，认为晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地作周期性地无限分布。1848年法国物理学家布拉维（A. Bravaim）对三维晶体原子排列规律进行研究，首次将群论概念应用到物理学中，用数学群论的方法导出空间点阵为14种不同形式的空间格子。1891年俄国结晶专家从理论上证明晶体有32个点群，230个空间群。费多罗夫（E.S.Fedorov）、熊夫利（A.M.Schoenflies）和巴罗（W.Barlow）分别在1890年、1891年和1895年各自建立晶体对称性的群理论，为固体物理理论的形成提供基本的理论依据。

1900年特鲁德（P．Drude）为了解释金属的特性提出了能够利用微观概念计算实验观测量的第一个固体理论模型——特鲁德自由电子气模型。1907年阿尔伯特·爱因斯坦首先利用量子论处理固体中的原子振动。同年法国物理学家皮埃尔·外斯（Weiss,Pierre）提出描绘顺磁、铁磁相变的平均场理论。1908年荷兰物理学家海克·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）成功地液化了氦气，创造了人造低温的新纪录-269°C（4K）。1910年，林德曼（Lindemann）提出的原子振动模型，认为晶体的原子振动振幅达到平均原子间距的左右时，晶体发生熔化，称之为Lindemann熔化定律。1911年昂内斯在极低的温度（4.2K）下对各种金属的电阻变化进行研究，首先在Hg中发现超导电性现象。

1912年，法兰克福大学的研究者马克斯·冯·劳厄（Max Von Laue）等人发现当X射线通过晶体时会发生衍射现象，从而证实晶体内部原子具有周期性排列的结构。X射线衍射是固体物理学中具有里程碑意义的发现，从此，人们可以通过X射线的衍射条纹研究晶体的微观结构。1912年，威廉·布拉格在剑桥大学开始用X射线分析NaCl和KC1等晶体，并建立了布拉格方程。1913年，威廉·亨利·布拉格（William H.Bragg）研制出世界上第一台X射线摄谱仪，他和他的儿子（W.L.布拉格）利用这台仪器测定了金刚石、水晶和硫化锌等一系列的晶体结构，开创了晶体结构的测定方法。X射线晶体结构分析方法和布拉格方程的建立，是近代固体物理学的开端，它为固体物理学的发展奠定了基础。

20世纪初量子力学的诞生为固体物理学的发展提供坚实的理论基础。人们对物质基本运动规律的认识，也由宏观进入微观。1924年法国物理学家路易·德布罗意（Louis Victor，Duc de Broglie）首次提出“物质波”的概念，说明粒子具有波粒二象性。同年，阿尔伯特·爱因斯坦根据“玻色-爱因斯坦统计”提出“玻色-爱因斯坦凝聚”的设想。1927年英国伦敦大学的汤姆逊和纽约贝尔电话实验室的克林顿·戴维孙相继完成了电子衍射实验，从实验上证实电子具有波动性。1926年恩里科·费米（Enrico Fermi）和保罗·狄拉克（PaulAdrienMauriceDirac）各自独立地发现费米子组成的系统中粒子分处不同量子态的统计规律。

1928年德国著名的物理学家海森伯格（Werner Karl Heisenberg）提出铁磁性的量子理论。德国物理学家阿诺德·索末菲（Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld）在量子理论和费米-狄拉克统计的基础上建立了索末菲理论，被称为“自由电子气的量子理论”，即索末菲自由电子气模型，成功地解释一些物理现象。美国物理学家布洛赫（F.Bloch）、法国物理学家路易·布里渊（Marcel Brillouin）分别在1928年和1930年，采用不同的方法研究周期场中电子的运动特性，对金属的导电性做出了解释，为固体能带理论的形成奠定了基础。

1930年布洛赫根据海森堡模型提出自旋波的概念，进一步发展磁性理论。1931年A.H.威耳逊（Wilson）运用量子理论和泡利不相容原理，建立了固体导电的量子力学能带模型。1933年德国物理学家迈斯纳和奥克森菲尔德在实验中发现超导体具有完全的抗磁性，被称为迈斯纳效应。1935年德国物理学家F.伦敦和H.伦敦运用詹姆斯·麦克斯韦电磁理论导出伦敦方程，成功地解释迈斯纳效应，伦敦方程是根据超导体的完全导电性和完全抗磁性提出的关于超导体电子运动规律的方程。1945年苏联物理学家扎沃依斯基首先在固体样品中观察到电子顺磁共振现象。20世纪40年代物理学家将各自独立的晶体学、冶金学、弹性力学和磁学等学科统合为固体物理学，至此，固体物理学已基本建立。

1946年黄昆在研究稀固溶体的X光漫散射时，提出了关于杂质和缺陷X光的散射理论模型，被称为“黄散射”。“黄散射”后来被德国科学家从实验上证实，现已发展成为一种能直接研究固体中微观缺陷的有效手段。1947年12月约翰·巴丁（Bardeen）、沃尔特·布拉顿（Brattain）和威廉·肖克利（Shockley）研制出世界上第一只晶体管——点接触型的锗晶体管，这是20世纪的一项重大的发明，第一只“面结型晶体管”于1950年问世，从此，晶体管开始逐渐替代真空电子管。

1950年，黄昆和英国的里斯（李爱扶）提出了多声子的辐射和无辐射跃迁的量子理论，具有开拓性，被称为黄-里斯理论。苏联物理学家金茨堡（Vitaly L.Ginzburg）和列夫·达维多维奇·朗道（Lev Davidovich Landau）在二级相变理论的基础上，提出超导电性的唯象理论，从理论上预言II类超导体的存在。1957年美国伊利诺伊大学的约翰·巴丁、布朗大学的库珀（Cooper）和宾夕法尼亚大学的施里弗（Schrieffer）共同提出以电子声子相互作用引起费米面附近电子联会（库珀对）为基础的超导微观理论，即著名的BCS理论，从微观上对超导电性做出了成功的解释。继1958年日本科学家江崎玲于奈（Reona Esaki）发明隧道二极管后，1960年美国物理学家伊瓦尔·贾埃弗从实验上观察到超导体具有单电子隧道效应，利用这种方法能够准确地测量超导体的能隙，这从实验上验证了BCS理论的正确性。

1962年，英国剑桥大学的布赖恩·约瑟夫森（Brian Josephson）根据BCS理论，从理论上预言库珀对也存在隧道效应，被称为约瑟夫森效应。1966年卡达诺夫指出在临界点粒子之间的关联效应起着重要作用。同年高锟首次提出使用玻璃纤维作为光波导用于通信的理论，为信息高速公路的发展奠定基础，高琨被公认为“世界光纤之父”。20世纪60年代，随着固体物理实验的重大发展，为科学分析提供了大量的实验数据，同时计算机的应用，使能带理论的研究从定性的普遍规律发展到对具体材料复杂能带结构的计算，能带理论发展成一门定量的精确科学，它已成为固体物理学的一个重要的理论基石。20世纪70年代发展的扩展X射线吸收精细结构谱技术，成为研究非晶态固体原子结构的重要手段。1972年美国物理学家戴维·李、道格拉斯·奥谢罗夫（D.D.Osheroff）和理查森（R.Richardson）在温度接近绝对零度时发现了³He超流态。³He超流体的发现有着重要的意义，它对凝聚态物理的发展起到推动作用。

1980年，德国科学家克劳斯·冯·克利青（K.V.Klitzing）发现整数量子霍尔效应，已被国际计量机构选作电阻标准，量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，涉及了固体物理宏观的量子现象。1983年劳克林（R.B.Laughlin）从理论上对该效应进行了阐述。1982年4月8日以色列科学家谢赫特曼用急冷方法制备AIMn合金，首次在电子显微镜下观察到一种“反常”现象，铝合金的原子采用一种不重复、非周期性，但对称有序的方式排列。从电子衍射图中发现，AIMn合金具有五重旋转对称但并无平移周期性的合金像，即20面体准晶，这一准晶的拼图形式由两种不同的菱形组成，准晶体展现了完美的长程有序。

随着固体物理学的迅猛发展，其研究领域不断地向外拓展与延伸，研究对象从固体物质到液态物质（如液氦、熔盐、液态金属，液晶和聚合物等）和某些特殊的气态物质（如经“萨特延德拉·玻色阿尔伯特·爱因斯坦凝聚”的玻色气体和量子简并的费米气体）。因此，凝聚态物理学逐渐取代固体物理学作为学科名称，或者将固体物理学理解为凝聚态物理学的同义词。

1984年德国萨尔兰大学的格莱特（Gleiter）、美国阿贡实验室的西戈（Siegel）相继成功地研制出纯物质的纳米细粉。1987年黄昆与学生朱邦芬构建了“偶极子超晶格模型”，建立超晶格光学振动的理论，被称为“黄-朱模型”。2004年1月29日美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学博尔德分校的科学家提出一种新的物质形态——费米子凝聚态，并预言它将有助于下一代超导体的诞生。2012年9月，德国莱比锡大学的研究人员发现石墨颗粒在室温下具有超导性，一些研究者发现六硼化钐可能是一种拓扑绝缘体。2017年北京大学的张锦教授通过控制活性催化剂表面的对称性，生长出特定对称性和手性的单壁碳纳米管。

能带理论是固体物理学中的一个基本理论基石，它建立在单电子近似的基础上的。而凝聚态物理学的概念体系源于相变与临界现象的理论。相比于固体物理学的单电子近似，凝聚态物理学更强调相互作用多粒子理论，对物质处于不同相之间的转变和临界现象进行研究。因此凝聚态物理学相对于固体物理学具有更加宽阔的视野。这种概念体系不仅关注有序相和无序相，还特别强调了临界区域中表现出的标度律和普适性的物理行为。

列夫·达维多维奇·朗道于1937年针对二级相变提出了对称破缺的重要概念，后来成为凝聚态物理学概念体系的主轴。在某个特定的物态中，存在某一对称元素的状态与其不存在的状态之间存在明确的区别。当通过改变温度或压力等条件时，原始相中的某一对称元素突然丧失，这表示发生了相变，新的有序相出现。为了定性和定量地描述有序相和原始相之间的偏离，引入了序参量。随着温度的降低，有序相在零温下达到基态，而在非零温度下，有序相处于激发态，而激发态有恢复破缺了的对称性的倾向。低能激发态是非定域的，以波或准粒子的形式出现，被称为元激发的集合。另一方面，非线性定域化的激发态被称为“谶纬”拓扑缺陷。这些元激发和拓扑缺陷对物质的不同物理性质产生重要影响。序参量被用来定性地和定量地描述低对称相相对于原对称相的偏离。

在足够高的温度下，物质呈现气态，表现出均匀和各向同性的特征。在统计意义上，它保持了完整的平移和旋转对称性，与其统治物理定律的对称性相一致。降温会导致气体凝结成液体，尽管整体对称性保持不变，但出现了短程序。进一步降温使液体凝固成晶体，在晶体中，平移和旋转的对称性都发生破缺，剩下的对称性属于230个空间群中的一个。固体表现出丰富多彩的物性与对称破缺密切相关，而具有引人关注特性的液体通常是液晶或复杂液体，也和某种对称性破缺有关。晶体中的元激发主要表现为晶格振动或声子，是理解固体的热学性质的关键，而品态中的拓扑缺陷为位错，是理解固体的塑性与强度的关键。

凝聚态物理学中关心的主要研究领域之一是相变，比如，水变成冰。相变改变了热力学系统的整体结构，并且不能用其组成部分来加以单独描述。在一种称为临界现象的相变中，不像水变成冰的情况，没有出现密度的不连续跳跃，是于1822年在液变气中被揭示的，并在1873年由范德·瓦耳斯的宏观理论进行了定性的解释。到了20世纪60年代，才涌现了对其微观机制的详细认识，相变是宏观水平上定性变化的最清楚例证。

固体电子论对固体中电子行为的研究一直是固体物理学的核心问题，凝聚态物理学中情况依然如此。固体中电子的行为可以根据电子间相互作用的大小分为三个区域。

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，也构成半导体物理学的理论基础。

中等关联区

这一区域的材料包括一般金属和强磁性物质。由列夫·达维多维奇·朗道提出的费米液体理论成功地描述了一般金属中电子的行为以及低温下³He液体中的元激发及物理行为。由沃尔特·科恩等人发展的密度泛函理论为计算复杂结构材料中的电子结构提供了理论框架。电子之间的交换相互作用在中等关联区中变得更为重要。这包括直接交换、间接交换、超交换、双交换和漫游交换等不同类型的相互作用。电子之间的相互作用导致了中等关联区内材料的磁性行为，包括铁磁体、反铁磁体等。有关磁性相的激发态（磁振子与磁畴）提供了理解其物理参数和磁化曲线的关键信息，构成了铁磁学的物理基础。

强关联区

强关联区涉及了电子浓度甚低的不良金属。能带理论建立不久，尤金·维格纳就设想库仑斥力使电子定域于维格纳晶格上，接着N.F.莫脱就认为NiO这类氧化物是因关联导致的绝缘体，即莫脱绝缘体。20世纪60年代的近藤效应是描述金属中电阻极小现象的理论，特别是在稀磁合金中。20世纪80~90年代在铜氧化物等材料中发现了高温超导体、锰氧化物中发现巨磁电阻效应等。另外，还在与近藤效应有关的系和系重电子合金中发现了多种有序相和反常的物性。对上述各类的强关联物质中的物性问题研究，尚未得到圆满解决。

BCS理论又称超导微观理论，于1957年由约翰·巴丁，库珀和施里弗三人共同提出，其基本出发点是晶体中电子之间的交互作用：一个在晶体中运动的电子会通过库仑引力而吸引晶格中的阳离子，引起晶格发生微小的弹性形变形。若这种变形能持续短暂的时间，就会影响随后的第二个电子。一定条件下，在这两个电子之间就会出现微弱的引力，它是电子-晶格-电子交互作用的间接效果。尽管引力很小，但只要这两个电子是处于高密度的其他电子流中，它们就会结合在一起，形成结合电子对或库珀电子对。电子对的基态能量低于两个自由电子的基态能量，且两个电子的动量和自旋角动量相反。

基于结合电子对的概念，BCS提出，晶体中所有电子都配成了库珀电子对。电子对的运动是相关的，因而很难受到晶格的散射，故电阻率为零。BCS理论给出了晶体中所有电子都配成库珀电子对的状态的波函数。对应于自由能最小的波函数就定量地决定了超导体的平衡性质，如临界温度、临界磁场、超导基态和激发态之间的能隙、热容量、穿透深度等性质。BCS理论的发表，促进了超导研究工作的发展。

凝聚态物理学主要研究凝聚态物质的原子之间的结构、电子态结构以及相关的各种物理性质。其研究的领域包括固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、绝缘介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理（包括薄膜物理、表面与界面物理和高分子物理）、液体物理、微结构物理（包括介观物理与原子簇）、缺陷与相变物理、纳米材料和准晶等。

原子或分子之间存在相互作用，这会导致粒子发生凝聚。许多凝聚态系统，例如氦以外的所有单元素系统，常压低温下，可以形成结晶相，即人们通常认为的固体。固体是人们认识最早，对其研究最多也最透彻的一种凝聚态系统，特别是量子力学建立以后，借助于计算机技术，我们对于自然界中存在的三维固体（主要指晶体）已经有了深入了解。

随着温度的降低，凝聚态系统由液相进入固相，此时所有的原子或分子均局域在空间某一位置附近，有微小的振动但其平衡位置是固定的，这些固定点称之为格点，由于原子或分子间的相互作用，它们在空间的位置将形成一定的布局或分布，以保证整个系统能量最低，这一布局就形成了固体粒子的空间结构。对于晶体，这种结构具有几何上的周期性，也称为奥古斯特·布拉菲晶格，其重复单元称之为原胞，而最小的重复单元称之为初始原胞。原胞内可以包含一个原子，如简单金属固体；也可以包含多个原子，如氯化钠晶体。

电子是物质的重要组成部分，在功能材料中起着举足轻重的作用，电子体系是凝聚态物理研究的重要对象之一，其原因是：电子是费米子，受到泡利不相容原理的约束；电子之间存在长程强相互作用；电子不仅是电荷的载体，同时也是自旋的载体。

金属和半导体的许多性质是由其载流子性质决定的。但是载流子与原子核以及载流子之间存在相互作用，如电子一声子、电子一电子、电子一空穴相互作用以及电子与局域杂质之间的相互作用等，都会产生一些有趣的现象，其中电子一电子之间的库仑作用对理解金属束缚能是极其重要的。

凝聚态物理与外界的相互作用总是通过表面或界面进行的，因此，表面物理是凝聚态物理的重要组成部分，它研究范围是固体表面几个原子层，也就是只有约百万分之几毫米或更小厚度的表面层。这一薄层的原子既受到体内的束缚，又受到环境的影响，这一薄层的结构、成份和性质与体内不同。物体表面的这些特殊性，对它的许多物理化学性质影响极大，金属的氧化、腐蚀毁掉了大约十分之一的金属材料，这些都与金属表面的结构和成分有关，化学和石油工业使用大量的各种催化剂，化学反应是在催化剂表面上进行的，与表面的吸附、凝聚等有密切关系。

在电子器件中，表面态和界面态的存在，对性能影响极大，所以对半导体表面和界面的研究一直是器件工艺和物理研究中的一个重要课题，随着硅器件的发展，硅——二氧化硅界面的研究，不仅有助于提高集成电路的稳定性和可靠性，而且促进了一些新型表面器件的发展，对于电子技术，特别是计算机技术的发展产生了重要影响。

低温物理学取得的重大成果在于对金属与合金中的超导现象以及液氦中的超流现象的研究。早在1924年阿尔伯特·爱因斯坦就根据萨特延德拉·玻色爱因斯坦统计提出了玻色-爱因斯坦凝聚的设想，即理想的玻色气体在低温下会出现基态为宏观的粒子数所占。⁴He原子是玻色子，因而在⁴He超流发现之后，F·伦敦就提出超流态是萨特延德拉·玻色爱因斯坦凝聚的结果。而F·伦敦所提出的描述超导电动力学的伦敦方程实际上就蕴含了宏观量子态的概念。1952年V.L.京茨堡与列夫·达维多维奇·朗道提出的唯象超导理论就明确地引入了类似于宏观波函数的复序参量来描述超导态。而BCS理论则在1957年由约翰·巴丁等人提出，成功描述了电子通过与声子的相互作用而形成库珀对，从而使电子系统具有玻色子系统的特性。在1972年，在2.7mK以下的³He的超流态被发现，³He原子也是是费米子，所以这也是费米子配对的结果。³He超流体具有p波配对的自旋三态，具有磁性。在1995年，E.A.科纳尔等人在将稀薄⁸⁷Rb气体冷却到极低温实现了萨特延德拉·玻色阿尔伯特·爱因斯坦凝聚，将凝聚态物理学的研究领域扩展到了极低温下的稀薄气体。

由于对于一些简单材料的物性已经比较清楚，从20世纪中叶开始就致力于将不同的材料按特定的结构尺度（关联于物性的某一特征长度）来组织成材料与器件的复合体，从而获得优异的物理性能。如果所选的结构尺度在纳米范围（1~100纳米）之内，即为纳米结构。20世纪末这一领域引起学术界和社会上的广泛重视。

量子力学认为粒子可穿过纳米尺度的势垒而呈现隧道效应。利用这一效应可制备隧道结这类夹层结构，诸如半导体隧道二极管、单电子超导隧道结、库珀对超导隧道结。后者体现了约瑟夫森效应已成为超导电子学的核心器件。利用与自旋相关的隧道效应，则已制出具有隧道磁电阻的磁存储器。

复合结构若进入电子恩里科·费米波长的范围，就呈现量子限制效应，导致了量子阱、量子线与量子点。半导体量子阱已用来制备快速晶体管和高效激光器。量子线的研究也卓有成效，纳米碳管所揭示的丰富多彩的物性就是明证。量子点则可用以制备微腔激光器和单电子晶体管。利用铁磁金属与非磁金属可制成磁量子阱，呈现巨磁电阻效应，可用作存储器的读出磁头。这些事例说明了纳米电子学（包括自旋电子学）将成为固体电子学和光子学的发展主流。

纳米结构在基础研究中也发挥了十分重要的作用：在两维电子气中发现了整数和分数量子霍耳效应以及尤金·维格纳晶格，在一维导体中验证了卢廷格液体的理论，在些人工纳米结构中发现了介观量子输运现象。

软物质又称复杂液体，是介于固体和液体之间的物相，液晶、乳胶、聚合物等均属此类。软物质大多都是有机物质，虽然在原子尺度上是无序的，但在介观尺度上则可能出现某种规则而有序的结构。如液晶分子是杆状的，尽管其质心不具有位置序，但杆的取向却可能是有序的。又如聚合物是由柔软的长链分子所构成，由于长程无序的关联性，因而遵循了类似于临界现象的标度律。

20世纪70—80年代液晶物理学和聚合物物理学的建立，使凝聚态物理学从传统的硬物质成功地延拓到软物质。软物质在微小的外界刺激（温度、外场或外力）下有显著的响应是其物性的特征，从而产生明显的实用效果。比如，一颗纽扣电池可驱动液晶手表数年之久。软物质变化过程中内能变化甚微，的变化十分显著，因而其组织结构的变化主要由熵来驱动，和内能驱动的硬物质迴然有别。熵致有序和熵致形变乃是软物质自组装的物理基础。

金属物理学金属物理学是研究金属和合金的结构与性能关系的科学，即从电子、原子和各种晶体缺陷的运动和相互作用，来阐明金属和合金的各种宏观规律与转变过程。它既相当于金属学在微观领域内的进一步深入，也是以金属和合金为对象的固体物理学的一个分支。

半导体物理学是凝聚态物理学的一个重要分支，是现代微电子材料学与器件学的理论核心。其中，有关非平衡截流子的注入和扩散问题是半导体物理学中的一个重要研究方向。光伏效应的实质是当用适当波长的光照射半导体材料的一侧时，在半导体表面薄层内会产生非平衡截流子。同时，材料内部没有或有较少的非平衡截流子，从而形成从表面到体内的非平衡截流子浓度梯度，进而产生扩散运动，即产生电压。当粒子浓度分布不均匀时，物质分子将从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象称为扩散。扩散的速率与物质的浓度梯度成正比。

绝缘介质物理学是随着20世纪电气工业的形成和发展而产生并发展起来的凝聚态物理学的分支学科。它涉及的主要内容是电介质的组成、结构、杂质等微观性质与其介电特性（极化、电导、损耗、击穿等）的关系，以及光、电、热、机械功能转换和受温度、压力、电频率等物理条件的影响。工程电介质主要涉及电介质理论在电气、电子、航空、航天、生物等工程技术领域的应用。

高压物理学是凝聚态物理学的一个分支学科，其研究对象是凝聚态物质体系，即由大量原子和分子组成的凝聚体。在高压极端条件下，组成物质的原子或分子的间距缩短，整体体积会改变；再加上高温或者低温条件，凝聚态物质在结构、状态和性质等方面会发生许多变化。随着高压实验技术的日益完善，高压物理学在现代科学研究和工业化生产中得到了更加广泛的应用。

表面物理学是凝聚态物理学的一个分支学科，它研究固体和液体表面的微观结构、化学成分以及表面上所发生的物理和化学过程。所谓物体的表面是指物体最外面的几层原子和覆盖其上的一些外来原子和分子，它的厚度一般只有几埃到几十埃（1埃等于千万分之一毫米）。这一表面薄层的原子既受体力束缚，又受环境影响，表面薄层的性质与物体内部不同，可以发生成分的偏折、结构的变化、形成吸附层或表面化合物等。物体表面的这些特殊性，对物体的许多物理、化学性质往往有很大影响。

低温物理学是凝聚态物理学的一个分支，是低温条件下的凝聚态物理学。低温物理学是研究在低温条件下物质的结构、性质、产生的物理效应及其应用的综合性学科。它探讨低温物性与低温物质内微观粒子的运动规律之间的关系，也涉及低温的产生和测量它的技术。所谓低温一般指比液态空气在大气压下的沸点81K还低的温度。

凝聚态物理学的应用性较强，是材料、信息、能源科学发展的基础，一些日常生活中常见的设备正是基于凝聚态物理学的研究成果。

1.纳米技术

王中林创立了压电电子学和压电光电子学，首次发明了纳米发电机；高鸿钧致力于扫描隧道显微镜（STM）在纳米科技中的应用研究；陈立泉在纳米储锂合金领域取得了一批国际一流水平的研究成果。

2.合金材料

在设计人造材料方面，已充分掌握使材料（如合金、化合物等）从一开始设计就能给出所需物理特性的基本物理化学过程，如用离子束技术把合金原子植入的物理学方法，可创造出崭新的合金材料；可以把所需的杂质原子注入到冷晶格内具有几何精度的部位上，像建筑设计那样，制出复杂的三维晶体电路材料。

3.其他成果

此外，还研究出了超导体、拓扑绝缘材料、纳米材料、电子陶瓷材料、复合热电材料、自旋液体、薄膜材料、碳材料（碳化薄膜，石墨烯，石墨炔等）等材料。以及还有很多根据凝聚态物理的特性制备出来的极具效用的成果，比如利用粒子的隧道效应制备的隧道结夹层结构；利用量子点制备单电子晶体管和微腔激光器；利用磁铁和非磁金属制备磁量子阱等等。