相態列表

**相態列表**是關於各種常見（固態，液態，氣態，電漿態）和不常見的相態（物質在一定溫度壓強下所處的相對穩定的狀態）的列表，列表是根據能量密度由低到高排列。相態是指物質出現不同的相，也叫物態，物態的變化稱為相變。物理法則應當是對稱且可以被不加修改地應用在所有的時空點上的，但很多系統違反了對稱性。比如磁鐵中的原子的自旋可被排成一行而不是指向各個方向，礦石晶體裡原子占用了預定空間位置使得晶體在稍微轉動就看上去不同了。當一種變換使得物質性質發生改變，物理學家稱之為對稱破缺。對稱破缺存在於自然的每個角落，因為磁力，超導甚至給予萬物質量的希格斯機制都是源自於此。

## 低能量態

* **玻色氣體（Bose gas）** ：是一個量子力學中的理想氣體模型，類似於經典理想氣體，由具有整數值自旋沒有相互作用的的玻色子組成，服從玻色 - 愛因斯坦統計。
* **費米氣體（Fermi gas）** ：又稱為**自由電子氣體（free electron gas）** 、**費米原子氣體**，是一個量子力學中的理想氣體模型，由具有半整數自旋沒有相互作用的費米子組成，遵守費米 - 狄拉克統計。在金屬、半導體內的電子或中子星里的中子，都可以視為近似於費米氣體。
* **超導體（Superconductor）** ：可以在在特定溫度以下，呈現電阻為零的導體。零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。
* **超流體（Superfluid）** ：物質在沒有能量損失的情況下無限流動的一種物相。在 1937 年由 Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen 和 Don Misener 發現的。至少有兩種氦的同位素、一種銣的同位素和一種鋰的同位素可以在極低溫下實現。在極低溫下會形成一種完全無摩擦的流體，這種現象叫做超流現象（Superfluidity）。如果將超流體放置於環狀的容器中，由於沒有摩擦力，它可以永無休止地流動。在常壓下，液態的 4He 和 3He，在絕對零度時也不能凝結成固體。它們的量子效應顯著，在各自對應的溫度和壓力下，發生由黏性液體轉變為無黏滯的超流體的相變，同時還存在其他的特殊現象，這些液體稱為**量子液體（Quantum liquid）** 。又可區分為**費米液體（Fermi liquid）** （如液態 3He）和**玻色液體（Bose liquid）** （如液態 4He）兩類。
* **超固體（Supersolid）** ：處於這種狀態下的固體能毫無摩擦力地流動，空位將成為相干的實體（coherent entity），可以在剩下的固體內不受阻礙地移動，就象超流體一樣。2004 年，韓國科學和技術先進研究所和美國賓夕法尼亞州立大學的研究者報告稱，冷卻後的液態氦出現超固體現象，美國康乃爾大學的研究者認為氦已經變成了不穩定的**量子塑料**，一種有彈性的超流體。
* **超玻璃（Superglass）** ：同時擁有超流體和冷凍晶體結構的特性的物質狀態。
* **玻色 - 愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein condensate，BEC）** ：，當溫度足夠低、原子的運動速度足夠慢時，玻色子原子將占據能量最低的同一量子態，所有的原子就象一個原子一樣，具有完全相同的物理性質。1995 年 JILA 的 Eric Corne 和 Carl Wieman 組在銣 - 87 原子云，Rice 大學的 Randy Hulet 小組在鋰 - 7 原子云和 MIT 的 Wolfgang Ketterle 小組在鈉 - 23 原子云里分別觀察到玻色 - 愛因斯坦凝聚。1998，Fried 等人實現了自旋極化氫原子的玻色 - 愛因斯坦凝聚。2003 年底，Innsbruck 的 Grimm 小組，JILA 的 Jin 小組，MIT 的 Ketterle 小組先後在兩分量的費米原子中製備出了分子凝聚體 (Molecular Condensate)。2010 年德國研究人員 J. Klaers 實現光子的玻色 - 愛因斯坦凝聚。
* **費米 - 狄拉克凝聚態（Fermionic - Dirac condensate）** ：與玻色 - 愛因斯坦凝聚態相似，但由費米子組成。根據泡利不相容原理，不同的費米子不能占據同一量子態，在庫柏（cooper）機制下，費米子可形成束縛態庫柏對，就像一個複合粒子，表現為一個玻色子，然後庫柏對發生凝聚，稱為巴丁 - 庫珀 - 徐瑞弗超流（Bardeen-Cooper-Schrieffer，BCS），從而占據同一量子態。1999 年 JILA 的 Jin 小組成功將鉀 - 40 原子冷卻到 300nk，CCD 成像顯示超冷原子云有類殼層結構，是一個服從費米 - 狄拉克統計的宏觀客體。2004 年該研究小組利用 Feshbach 共振技術實現了強相互作用的簡併費米氣體（Degenerate Fermi Gas，DFG）。2005 年，MIT 的 Ketterle 小組利用鋰原子實現了費米超流體，並觀測到量子渦旋晶格，確切的用實驗證明了費米超流的存在。

## 超冷原子氣體

**冷原子超流體（ultracold atomic Superfluid）** ：冷原子超流體和液氦超流體的不太一樣，冷原子的低溫狀態是通過雷射冷卻和磁阱蒸發冷卻控制的，把原子束縛住，原子熱運動動能減小，相應的溫度降低。當勢阱很低時，原子可以按相同的動量向某個方向自由移動，系統形成超流相。與液氦相比，超冷原子具有無與倫比的可控性與純淨性，已逐漸成為實現並研究超流體最為理想的物理體系。

* **超流氣體（Superfluid gas）** ：在低溫下擁有超流動性的氣態原子，可以自由流動沒有阻力，超流是指沒有任何阻力和摩擦的物質狀態。
* **超流玻色氣體（Superfluid Bose gases）** ：玻色氣體超流相，原子蒸汽中玻色 - 愛因斯坦凝聚這種弱相互作用的多粒子系統成為一種理想的研究超流性和宏觀量子現象的模型。
* **超流費米氣體（Superfluid Fermi gases）** ：冷原子氣體在相互作用多體系統中引起了豐富的超流相。新的研究對自旋軌道耦合的冷費米氣體提出了一系列新奇的量子相，包括空間各項異性的超流， 由橫向磁場引起的 Fulde-Ferrell (FF) 配對超流， 以及縱向磁場驅動的基於 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 配對的拓撲超流。破壞時間反演的拓撲超流態由拓撲整數來進行分類。拓撲量子數為奇數的拓撲超導的量子渦旋裡面有奇數個馬約拉納費米子，此類拓撲態的准粒子滿足非阿貝爾統計，並且由於具有非局域的拓撲性，可以抵抗局域的噪聲干擾，所以已經有方案指出可以利用這些優勢來做拓撲量子計算。p+ip 超導是常見的破壞時間反演不變對稱性的拓撲超導。在弱配對相裡面，p+ip 的手征超導體在邊界上具有手征性的馬約拉納邊緣態。
* **玻色 - 費米雙超流體（Bose-Fermi Dual Superfluids）** ：研究者一直希望將具有不同統計性質的兩種液氦混合在一起，以期能實現這一量子物態。由於氦原子之間的相互作用太強，將液氦冷卻至 100μK 以下，仍然無法實現氦 - 3 和氦 - 4 的雙超流。2016 年中國科學技術大學潘建偉團隊實現了包含 150 萬鋰 - 6 原子和 18 萬鉀 - 41 原子的質量不平衡玻色和費米超流體混合物（Mass-Imbalance Bose and Fermi Superfluid Mixture），並在該雙超流體中成功地產生和觀測到玻色 — 費米量子渦旋晶格。氦 - 4 和氦 - 3 都屬於氦原子，質量平衡，在質量不平衡的不同原子狀態下實現雙超流難度更大。
* **超流固體（Superfluid olid）** ：可以（在保持自身形狀，不發生形變的情況下）完成完全無摩擦的運動，同時具有固體與流體的特徵。像固體一樣保留剛性結構；像超流體晶格內的原子必須能夠在位置之間無阻力流動。類似氦超低溫形成的超固體。2017 年，麻省理工學院 (MIT) 沃爾夫岡・克特爾勒領導的團隊利用鈉原子和蘇黎世的瑞士量子電子研究所 (IQE) 的團隊利用銣原子分別實現。
* **偶極量子費米氣體（Dipolar Quantum Fermi gas）** ：2012 年美國研究者用金屬鏑創造出，該費米子氣體具有晶體和超流體二者看似矛盾的特徵，有望據此發現**量子液晶**（Quantum liquid crystals）或超固體。中國研究者提出了三維偶極費米氣體（Three-Dimensional Dipolar Fermi Gas）的外爾超流體（Wely Superfluidity）。
* **偏振子超流體（Polariton Superfluid）** ：一種加入了大量被減速和囚禁的偏振子（一種能量子）的固體，具有雷射和超導體性質的物質態。在超導體中，這種加入能夠獲得完美的電荷流動。這種行為會產生一種類似雷射但是能量效率要高得多的純光束。2007 年美國的研究者做出了這項發現。
* **負絕對溫度（Negative Absolute Temperature）** ：不是一種負能量，只是一種反的能量分布，目前的實驗達到了低於絕對零度數十億分之一度。有可能製造出新的物質相**負溫度物質**。負絕對溫度氣體還能模擬**暗能量**。
* **負質量超流體（Negative mass Superfluid）** ：像電荷有正負，物質也有負質量（Negative mass）。正質量物體符合牛頓第二運動定律，推動正質量物體時，物體會沿著力的作用方向運動。當給予負質量物體推力時，它不進反退，向後加速運動。根據牛頓第三運動定律，當一個小球撞擊另一個小球，這兩個小球應該相互撞開。但如果其中一個小球具有負質量，那麼這兩個小球相撞後應該會朝相同方向加速。通過超冷銣原子製造負質量流體。
* **里德伯態（Rydberg matter）** ：里德伯態屬於強力的非理想電漿的其中一種介穩定狀態，當電子處於很高的激發態後冷凝而形成。當到達某個溫度時，這些原子會變成離子和電子。在 2009 年研究員成功由極冷的一粒里德伯銣原子和一粒基態銣原子中創造出**里德伯分子（Rydberg molecule）** 。
  * **里德伯極化體（Rydberg polaron）** ：是一種奇特的物質狀態，在超低溫下產生，其中一個非常大的原子在原子核和電子之間的空間中含有其他普通原子。為了形成這個原子，必須將原子物理的玻色 - 愛因斯坦凝聚體和里德堡原子兩個領域結合起來。先將鍶 (Sr) 原子轉化到玻色 - 愛因斯坦凝聚態；再用一束雷射來激發原子，以將原子提升到高激發態；接著，激發電子開始以較平常更遠的距離繞原子核轉，從而成為了一個里德伯原子。電子的軌道變得如此之大，因而其他鍶 (Sr) 原子可以輕易地放到裡面：最多觀察到了某個裡德伯原子裡塞下了 170 個原子。
* **光子態（Photonic matter）** ：在一個量子非線性介質中，光子可以表現得有質量，並能相互作用，形成光子分子（Photonic molecule）。2013 年美國的研究團隊成功誘使兩個光子結合成分子形態，而這種光子束縛態以前只存在於純理論中。光子分子的物理特性和雷射不一樣，更像科幻電影裡面的光劍（lightsaber）。
* **液態光（Liquid Light）** ：2002 年的一項西班牙的研究認為在雷射束中的光子是可以凝聚為具有液態性質的光滴（light droplets）。當雷射通過 5 次立方體非線性光學介質時，可以產生自聚焦，帶有較強電磁場的強光束能改變介質的折射係數，從而使介質起著透鏡的作用。這時雷射流會充分地聚焦，並使光流形成為一個凝聚態，但這些光滴並不靜止，它們以光速進行著運動。考慮到液態物質的一些普遍特性，如表面張力的作用以及在超流體中保持液體旋轉性的特點等，液態光應保持成光滴狀。可以產生液體密度最小的液體，具有的特徵渦流可以產生全光黑洞。
* **極化激元超流體（Polariton Superfluid）** ：被稱為液態光，極化激元 - 超流體的概念最早於 2007 年就被提出，當時的研究者就提出了假設，這類超流體的最大特點之一就是有可能在室溫下被實現。2018 年義大利 CNR 奈米技術研究所和加拿大蒙特婁理工學院的科研人員共同在常溫下完成，把一個 130 奈米厚的有機分子切片放在了兩個反射率極高的鏡片之間，形成一種類似三明治的結構。研究人員用周期為每飛秒 35 的雷射脈衝轟擊這個系統，使得光子在鏡片間來回彈射。在這個過程中，光子與中間的有機分子急速交錯，從而形成了一種具備光 - 物質二元屬性的液態光，光子和有機分子中的電子相耦合便形成了液態光。兩者在相互撞擊之時就會產生「耦合」現象。在「耦合」之時會因撞擊而生成數量巨大的附帶電磁准粒子，「液體光」就是在准粒子中生成的超流體。該實驗中的這種耦合體叫做極化激元，是一種准粒子。它是由電磁波之間的強烈耦合以及帶有電偶極子或磁偶極子的激發作用中誕生。極化激元的形成也可看為一顆受激的光子。

## 電子相

* **電子態（Electronic matter）** ：電子 - 電子、電子 - 晶格作用可以形成的各種電荷有序相（charge-ordered phases）。電子的電荷、自旋和軌道三種自由度能夠各自或同時形成物態。和晶格一樣，電子多重自由度的短程有序可以形成**電子玻璃態（Electronic glassy state）** ，而長程有序則能形成晶體態，也就是**電子晶體（Electronic Crystals）** 。原子晶體以及個別電子單晶（Electronic monocrystal）已經被廣泛研究，有宏觀的，也有微觀層面的。而對於有些電子單晶以及多重量子序電子單晶（Electronic Multiple Ordering Crystals），則研究較少。由於測量參數的缺失與實驗條件的限制，從微觀層面上探索電子序單晶尤其是多重量子序電子單晶十分困難，儘管他們對於深入理解量子序及其物性有著重要意義。電子也存在類似氣、液、固等狀態。二維電子氣（即電子之間的相互作用很弱，近似為自由電子），金屬中電子總是存在相互作用的，如果它們之間的庫侖相互作用較弱，可以近似看做電子液體，正是電子液體的本徵物性導致材料整體的力、熱、光、電等物理性質。電子依靠中間媒介兩兩配對後成庫珀對可以凝聚成具有零電阻的超導態；電子自旋磁矩取向一致的時候可以形成磁性很強的鐵磁態；相鄰電子聚攏在一起可以形成電荷密度波態等。
* **維格納晶體（Wigner crystal）** ：1934 年，尤金・維格納（Eugene Wigner）第一次預言了一類電子的晶體相。在二維或三維空間中均勻、惰性、中性的背景上移動的電子氣，如果其電子密度小於一個臨界值，電子間的庫倫勢能將大於動能，因而電子的空間排布變得重要。為了使勢能儘可能小，三維空間的電子會形成體心立方結構，二維空間的電子會形成三角晶格，一維的電子則會形成均勻分隔的晶格。
* **拉廷格液體（Luttinger liquid）** ：全稱**朝永 - 拉廷格液體（Tomonaga-Luttinger liquid）** ，一維電子氣體作為玻色子的低能量激發，將一條很細的純淨度極高的量子線冷卻到接近絕對零度 (-273 ℃)，再對材料施加一個橫穿磁場，消除雜質的破壞性作用，材料中的自由電子云將變成只有左、右方向運動的電子，電子互相連接著，就象火車車廂一樣一起運動，1994 年的美國一個研究證實了這種物質形態。
* **電子向列相（Electronic Nematic phase）** ：也叫電子液晶相（Electronic liquid-crystal phases），1998 年理論物理學家 S. A. Kivelson 首次在莫特絕緣體中提出。 在強關聯電子體系中，電子聚積成一條條線段，這些線段質量中心的空間位置是隨機起伏的，但它們保持著一個共同的擇優取向。在此相態下，電子失去了旋轉對稱性，從四重旋轉對稱 (C4) 轉變為二重旋轉對稱 (C2)，但保持了平移對稱性。系統中呈現出打破晶格固有的旋轉對稱性的電子態。
* **自由電子氣（free electron gas）** ：自由電子氣是借用理想氣體模型描述費米子系統性質的量子力學模型。其具有費米能的量子態都處於動量空間中的一個確定的曲面上，這個曲面稱為費米面。自由電子氣的費米面是一個球面；周期體系中的費米面則通常是扭曲面。費米面包圍的體積決定了系統中的電子數，而費米面的拓撲結構則與金屬的各種傳導性質（如電導率）直接相關。對費米面的研究有時被稱為「費米學」（Fermiology）。按電子運動維度可分為一維，二維和三維。**二維電子氣（two-dimensional electron gas， 2DEG）** 是指電子可以在二維方向自由移動，而在第三維上則受到限制的現象。在某些材料表面，電子密度很高，是一種平面電子集合，是一種二維液體。
* **電子晶體（electride）** ：在離子性材料里存在周期性的空檔，而電子正好落在這些空檔里，充當了陰離子（anion）的角色。按照空檔的維度來分類，有 0 維，1 維和 2 維的電子晶體。這個維度指的是陷落電子勢阱維度。電子晶體是一種雙曲材料。一維和二維電子晶體材料從結構上就有嚴重的各向異性：電子在一個多兩個方向不局域代表有很強的金屬性，而在另外的方向金屬性很弱，滿足雙曲材料最本質的要求。
* **准三維電子晶體（quasi-three-dimensional electron crystal）** ：介於二維和三維之間的一種物質，將極純淨的半導體材料置入超低溫環境下，並對其施加垂直和平行的強磁場中，半導體內的二維電子系統轉變為準三維電子固體系統絕緣體。
* **多級有序態（multipolar order）** ：晶體裡的電子運動無序，在合適的情況下，晶體中的電荷會排列成重複的有序結構**電荷有序態**。電荷是一種純量，用數值或者量級可以描述這種物質形態。除了電荷，電子還有一個名為自旋（spin）的自由度。當電子以相同的自旋方向排列在一起時，物質就會呈現出鐵磁性。自旋既有方向也有大小，一個以電子自旋為序的相可以用矢量來描述。電子可能並不以這兩種方式排列，如果純量和矢量都不足以描述它們，例如，相很可能是由一對對自旋方向相反的電子組成的，一個自旋方向向南，另一個向北，這種情況稱為磁四極（magnetic quadrupole）。用傳統的探測器，很難發現這樣的多極有序態。當用單頻率的光照射物體時，反射回來的光也是其原來的頻率，還有非常非常少的反射光不是原頻率的，它們的頻率是原頻率的整數倍，這些倍頻光就是光諧波。在鍶銥氧化物 (Sr2IrO4) 的實驗中根據改變晶體的對稱性會對每個諧頻的強度造成不同的影響這一事實，利用晶體對光學諧波的反應來判斷多極有序態是否出現。研究發現，第二諧頻的反射光向揭示了一種與已知晶體結構完全不同的對稱性，而在反射回的基頻光中完全觀察不到這一效果，這清晰的顯示了一種特定的多極有序態的存在。
* **激子素（excitonium）** ：也叫激子態，是由一種玻色子激子組成的，激子是電子和空穴組合起來的一種複合粒子，伊利諾伊大學的研究人員發現第一次觀察到這種軟質粒相，它是激子凝聚的前體。
* **極化子有序相（polaron Ordered phase）** ：極化子 (polaron)，是指體系中電子因為庫倫作用而吸引周圍帶正電的離子，促使局域晶格發生畸變。這一畸變區域稱為極化子。如果電子可以運動，還會攜帶周圍畸變晶格區域一起運動，而這些掣肘反過來阻礙電子的自由運動，應該算是電聲子相互作用類。極化子有很多變種，包括與局域自旋關聯極化子、雙極化子、齊納（Zener）極化子等。銅氧化物的欠摻雜區存在空穴條紋相。從母體反鐵磁態開始摻雜空穴，反鐵磁疇被富空穴金屬條紋相分割包圍，出現贗能隙相。這類條紋相通常被認定是鄰位 JT（Jahn-Teller ）雙極化子有序態。有很多工作揭示這類條紋相併非滿足嚴格對稱要求的雙極化子有序態，而是呈現電子液晶 (quantum liquid crystal) 相特徵。有物理學者也認為空穴摻雜的錳氧化物 (也就是 CMR 錳氧化物) 中電荷條紋相也可能是類似的電子液晶相，因為錳氧化物的 JT 物理與銅氧化物有類似之處。在合適的空穴摻雜濃度區間內，只要有足夠高密度的靜態 (static) 和動態 (dynamic) 的 JT 極化子存在，可以形成極化子液態、極化子玻璃態、極化子晶體甚至是極化子贗能隙相。
* **二維量子液晶（two-dimensional quantum liquid crystal）** ：它們的分子表現和普通液晶一樣，物質內的電子雖能自由移動，卻更傾向於沿一定方向排列，即存在優先流動方向。雖然晶格中 X 軸與 Y 軸的指向和傳統液晶分子並無不同，但整個平面上的電子會整體決定更傾向於其中的某個方向。用其製作高溫超導體，能夠在溫度為負 150 攝氏度的情況下就實現無電阻，比傳統超導體運行的溫度更高。
* **三維量子液晶（three-dimensional quantum liquid crystal）** ：晶格中 X、Y、Z 軸方向的電子分布不同，在特定方向軸上，向前或向後的流動磁性也有所不同。三維量子液晶的電子具有完全不同的磁性，即能夠沿一個給定軸方向流動。這意味著提供了使材料變為磁鐵的方式，或者能夠改變磁鐵的磁性強度和方向。三維量子液晶內部能通過的電流方向之間，磁場強度和方向皆不同，打破了晶格的對稱性。

## 拓撲量子態

* **時間晶體（Time crystal）** ：非平衡新物態，在這種物態下，量子微粒的集合永遠在變動，永遠不會達到穩態。然而這些集合構建的系統能從本來會干擾其它物態的隨機相互作用里汲取穩定性。2012 年物理學家 Frank Wilczek 提出時間晶體的結構，由於非對稱基態的存在，可能存在基態仍能發生運動的物質，並稱其為量子時間晶體（Quantum Time crystal）。在常見晶體中，原子在空間內按一定規律重複排列。而在時間晶體中，原子在時間軸上進行周期性振動。他認為該物質可打破時間的平移對稱性。研究者一度認為這種物質不可能真正存在，2018 年的兩項研究各自獨立地造出了離散時間晶體，「離散」源於其周期總是驅動周期的整數倍。馬里蘭大學聯合量子研究所（JQI）與加州大學伯克利分校組成合作團隊，在一條由 10 個鐿離子構成的離子鏈中，用雷射誘發了三種不同反應，他們用雷射脈衝轟擊原子離子，激發出磁場，然後用另一道雷射稍微翻轉原子的自旋方向。這一過程不斷重複，最終創造出了按時間排列的重複翻轉結構。這樣的組合讓原子自旋震盪，震盪周期是被翻轉的兩倍。如果向雷射之中加入一些噪聲，干擾原子自旋的翻轉方向，這種 2T 的周期仍然能穩定存在。哈佛大學與加州大學伯克利分校開展了合作研究，在合成鑽石中利用人工晶格造出了時間晶體，這塊鑽石上密布著約一百萬個缺陷，每個缺陷都包含著自旋。鑽石的不純淨性也提供了天然的無序性。用微波脈衝翻轉缺陷里的自旋，他們看見系統響應了一小段的擾動頻率，系統只在極少數時間會對干擾做出反應。
* **拓撲超流態（Topological Superfluid）** 、**拓撲超導態（Topological Superconductor）** 、**拓撲超固態（Topological Supersolid）** ：拓撲超流體，其內部受能隙保護，而在系統邊緣卻可以激發出無能隙的馬約拉納費米子，不同邊界處馬約拉納費米子的傳播應該是反向的，由於該粒子不受外界環境的干擾，用它們攜帶量子化的信息，所以可以用於拓撲量子計算的研究。利用對稱性可以將拓撲超流態分為時間反演不變的拓撲超流態和時間反演對稱破壞的拓撲超流態。具有時間反演不變的拓撲超流態在體系統裡面有配對能隙，其表面態具有 Majorana 費米子。自旋軌道耦合超導體是常見的時間反演不變的拓撲超導體。自旋向上的費米子配對為 px+ipy 態，自旋向下的費米子配對為 px-ipy 態。這類拓撲超導態在體系統裡面有能隙，在材料邊界上有相向傳播的馬約拉納費米子。2014 年中國的新研究提出了**無能隙拓撲超流態**，這一新物質相具有空間不均勻的序參量，在動量空間中體系內部的能隙關閉點形成環（如果是二維體系）或面（三維體系）， 在實空間中體系的兩個相對邊界上能同向傳播馬約拉納費米子。
* **自旋超流態（Spin Superfluid）** 、**自旋超導態（Spin Superconductor）** ： 由電荷為零自旋非零的玻色子在低溫下凝聚成的超流態。自旋流能無耗散地流過自旋超導體，即自旋阻是零；但對於電流來說是絕緣的。
* **自旋玻璃態（Spin glass）** 是一種亞穩定狀態的磁性材料，是材料所顯示出來的高度的磁自旋阻挫，起因於結構本身的某種無序或由於磁性摻雜無序性所導致，這種磁性阻挫意味著不能保持單一的能量基態。不同自旋結構的長程有序態**自旋固態**(spin solid)、自旋玻璃態、**自旋果凍態**(spin jam)，藉助不同內稟或外源參量調控，可以相互轉化。
* **經典自旋冰（Spin ice）** ：有些材料中的稀有金屬元素存在於四面體頂點上。由於四面體的頂點之間的磁性相互作用存在幾何阻挫，故而系統在極低溫度是仍有熵存留，並且自旋構型滿足「兩進兩出」的 Pauling ice rule。經典自旋冰中由於幾何阻挫的存在，系統中的磁激發可以用磁單級子的形式來描述。
* **團簇莫特絕緣體**: 也稱為**團簇自旋玻璃態**，在經典自旋冰中加入量子自旋漲落，從理論上講就可能出現量子自旋冰，或者團簇莫特絕緣體。在量子自旋冰和團簇莫特絕緣體中除了有分數化的磁單級子的激發之外，還湧現出滿足量子電動力學層展 U (1) 規範場理論所描述的低能「光子」，其中的拓撲元激發包含衍生光子和自旋子。衍生光子的物理性質類似於量子電動力學中的光子，而自旋子則類似於電荷。。這樣的物質形態不能用傳統的以對稱性自發破缺為基礎的凝聚態相變理論來描述。中國研究團隊，運用量子蒙特卡洛蠕蟲算法，使用「天河 1 號」超級計算機和其他計算平台，發現了 1/4 和 3/4 玻色子占據的兩種團簇莫特絕緣體，證實了 1/4, 1/2 和 3/4 玻色子占據的團簇莫特絕緣體（其中 1/2 玻色子占據的團簇莫特絕緣體就是量子自旋冰）是具有量子電動力學層展 U (1) 規範場特性的奇異物質形態。
* **量子自旋冰（Quantum spin ice）** ：是三維的量子自旋液體，其晶格由正四面體共點連結，形成燒綠石結構。每個四面體頂點都被局域磁矩很強的磁性稀土離子占據，而晶體場的影響迫使稀土離子磁矩表以伊辛自旋形式，自旋方向由平行於相鄰兩個四面體體心連線指向四面體體心或體外兩個方向。由此，自旋冰中的阻挫就表現為每個四面體單元內局域能量最低的自旋排列方式是：兩個自旋指向體心，兩個自旋指向體外，即所謂「兩進兩出」自旋構型，類比於冰中氫氧之間的空間距離。因此這種自旋排列規則被稱為「冰規則」，想像頗為豐富浪漫。由於每個四面體滿足「冰規則」的自旋排列共有 6 種，所以自旋冰在低溫下存在大量簡併態，在實驗上表現為自旋冰系統在極低溫下依然保有很大剩餘磁熵。2018 年洛斯阿拉莫斯國家實驗室研究團隊在實驗中發現，在連續淬滅條件下，隨著溫度降低，Shakti 自旋冰並未進入低能態。整個系統似乎在以一種「頑強」的態度保持能態的穩定。這與「二聚體覆蓋模型」吻合。隨後，實驗室的數據確證了存在拓撲電荷守恆導致的長時間激發。首次證實了，經典系統（如人工自旋冰）可以用於證明拓撲有序相。
* **量子自旋液體（Quantum spin liquid，簡稱 QSL）** ：又稱為**液態自旋量子**，物質本身是固態晶體，磁矩表現得像液體，並且在溫度低至絕對零度時也不會凍結或有序化，不會發生對稱性自發破缺的量子態。液態自旋量子的單個粒子磁性取向始終處於變化之中，與真正液體中的分子運動類似。這種物質內部沒有靜態磁性取向。但粒子之間存在強烈的相互作用，由於量子效應，它們不會固定在某個地方。
* **弦狀網液態（String-net liquid）** ：原子的這種狀況是不穩定的排列，像液體一樣，但仍有固定的總體格局，像一個固體。在正常的固體狀態下，物質中的原子應以網狀排列，因此對於任何一粒電子，它相鄰的電子的自旋方向應與它自身相反。但在弦狀網液態下，原子會以某種形式排列從而令到部分相鄰電子的自旋方向與它的方向相同。

## 霍爾效應

* **量子霍爾態（Quantum Hall state）/ 量子霍爾效應（Quantum Hall effect）** ：二維電子氣體在垂直的磁場中，能譜分立為高度簡併的朗道能級，在強場低溫條件下，能級間距遠大於熱漲落能，觀察到橫向電導率隨著磁場的增大出現一系列霍爾平台。這些霍爾平台對應整數量子化電導，稱為**整數量子霍爾態（integer Quantum Hall state）/ 整數量子霍爾效應（integer Quantum Hall effect，簡稱 IQHE）** 。二維電子氣出現的霍爾傳導率在分數值時會出現準確量子化的平台區。它是一種集體態的特性，在這種集體態裡，電子把磁通量線束縛在一起，形成新的準粒子、有著分數化基本電荷的新激發態，並且有可能出現分數統計，稱為**分數量子霍爾態（Fractional quantum Hall state）/ 分數量子霍爾效應（Fractional quantum Hall effect，簡稱 FQHE）** 。
* **量子反常霍爾態（Quantum anomalous Hall state）/ 量子反常霍爾效應（Quantum anomalous Hall effect）** ：量子反常霍爾效應不依賴於強磁場而是由材料本身的自發磁化產生，在零磁場中就可以實現量子霍爾態。
* **量子自旋霍爾態（Quantum spin Hall state）/ 量子自旋霍爾效應（Quantum spin Hall effect）** ：在沒有外加磁場條件下即使是在非磁性材料中，也存在類似的霍爾效應，自旋向上和自旋向下的電子分別向兩邊運動從而分離開來．與電荷相關的霍爾效應不同，這種霍爾效應與電子的自旋密切相關。
* **拓撲絕緣體（Topological insulators）** ：是一類特殊的絕緣體，材料內的能帶結構是典型的絕緣體類型，在費米能處存在著能隙，但是在該類材料的表面總是存在著穿越能隙的狄拉克型電子態，所以導致其表面總是導電的。這一特殊的結構是由其能帶結構的特殊拓撲性質所決定的。
* **拓撲超導體（Topological superconduc-tors）** ：是拓撲絕緣體在超導上的類比，在邊界處具有無能隙的 Andreev 邊緣態。因為邊緣態零模，即馬拉約那費米子，是一種非阿貝爾任意子，在拓撲量子計算中有著潛在應用。
* **拓撲晶體絕緣體（Topological crystalline insulators）** ：由晶體對稱性保護的一類拓撲絕緣體，無能隙表面態只在具有特定對稱性的表面出現，晶體對稱性更容易被外電場、應力所改變。
* **強關聯拓撲絕緣體（Strongly correlated Topological insulators）** ： 包含稀土元素的化合物由於其 f 電子的性質往往具有很強的電子 - 電子相互作用。這是凝聚態物理中一類典型的強關聯體系，被稱為重費米子材料。一些重費米子絕緣體具有拓撲非平庸的電子結構和無能隙的表面態。
* **拓撲半金屬（Topological semimetals）** 如果逐漸減弱一個三維拓撲絕緣體材料的自旋軌道耦合強度，拓撲絕緣體的體能隙會先逐漸減小直至零，隨後又逐漸變大。這是一個由三維拓撲絕緣體到三維普通絕緣體的拓撲相變過程。在相變點處，在動量空間中導帶底和價帶頂會相交於一個點，形成一個無能隙的三維狄拉克錐，可以看成石墨烯的電子結構推廣至三維的情況，被稱為狄拉克半金屬。如果在一個狄拉克半金屬中引入鐵磁性，它將轉變為另一種拓撲材料，外爾半金屬能帶結構在動量空間包含成對的奇點，稱為外爾點，在外爾半金屬某些表面會呈現「費米弧」形的表面態。

## 相態性質

* **導體、半導體、絕緣體**：一般固體材料依照其導電性分為絕緣體、半導體、導體。絕緣體在費米能處存在著有限大小的能隙，所以沒有自由載流子；導體在費米能級處存在著有限的電子態密度，所以擁有自由載流子；半導體包括陳半導體和狄拉克半導體，在費米能處沒有能隙，但是費米能級處的電子態密度仍然為零。
* **磁序狀態（Magnetically ordered）** ：在過渡金屬的原子中有電子單獨存在於原子軌域而且不形成化學鍵，所以在淨自旋不是 0 的情況下擁有淨磁矩，不同原子的磁矩都是有規則地排列，可以製成亞鐵磁體（Ferrimagnetics）、磁鐵（Ferromagnet）和反鐵磁體（Antiferromagnet）。三種基本的磁性狀態磁序狀態，磁性和反磁性以及液體量子自旋態。
  * 磁狀態包括抗磁性（diamagnetism）、超抗磁性（superdiamagnetism）、順磁性（paramagnetism）、超順磁性（superparamagnetism）、鐵磁性（ferromagnetism）、超鐵磁性（superferromagnetism）、反鐵磁性（antiferromagnetism）、亞鐵磁性（ferrimagnetism）、螺旋磁性（helimagnetism）、圓錐螺磁 (conical) 變磁性（metamagnetism）、混磁性（mictomagnetism）、散磁性、自旋玻璃、自旋冰、量子自旋液體、鐵磁超導體（ferromagnetic superconductor）。
  * 磁有序結構鐵磁有序結構、反鐵磁有序結構、亞鐵磁有序結構、螺旋磁性有序結構、正弦波模磁有序結構、非晶態金屬磁性的錐形磁有序結構，又可以分成三種形式，散反鐵磁性有序結構（speromagnetism），散亞鐵磁性有序結構（sperimagnetism），散鐵磁性有序結構（asperomagnetism）。考慮到材料的三維結構，存在磁矩共線排列的共線磁、磁矩螺旋排列的螺旋磁、磁矩如梯子排列的自旋梯等。
  * 鐵基超導磁結構可能有三種：自旋密度波條紋相 (stripe-type spin-density wave, SSDW)、自旋電荷密度波相 (spin-charge-density wave, SCDW)、自旋渦旋點陣相 (spin-vortex crystal, SVC)。
  * 磁性材料中的自旋拓撲結構是自旋有序體系，磁性渦旋（Vortex）、反渦旋（Antivortex）、磁性斯格明子（Skyrmion）、反斯格明子（Antiskyrmion）、雙渦旋磁性斯格明子（biskyrmion）、磁泡（Bubble）、麥紉 (meron)、磁浮子（chiral magnetic bobbers）。包含 DM (Dzyaloshinskii-Moriya) 相互作用的體系在外磁場以及溫度的作用下出現多種磁有序結構，例如螺旋磁 (helical)、圓錐螺磁 (conical)、鐵磁、斯格明子相等。在二維體手性材料里主要有鐵磁態、斯格明子態、螺旋態。低磁場下是螺旋態，隨磁場的上升螺旋態逐漸變為斯格明子態。在適當的磁場溫度下斯格明子會排列成密堆積的結構，類似於晶體中的原子排列，所以稱為斯格明子晶體態、在准一維奈米條帶中，類似的堆積結構也被稱為 packed 斯格明子態、隨著奈米條帶寬度的降低，同樣的堆積結構逐漸變成一維斯格明子鏈。相圖中介於鐵磁態和斯格明子晶體態之間的斯格明子與鐵磁的混合態，也可以稱之為斯格明子氣體態；當體系中只有一個斯格明子時可以稱為單獨斯格明子態。在界面手性材料中，螺旋態變成了一種類似的螺線 (spiral) 態，螺線態與螺旋態結構的主要差異是相鄰自旋旋轉方向的不同。
  * 磁疇結構是鐵磁質的基本組成部分。在各磁疇中，原子磁矩的排列各有相互平行的自發傾向，磁矩方向保持一致。但是各磁疇的排列方向是混亂的，所以鐵磁體在沒有被磁化前不顯磁性。磁疇結構多種多樣，通常有以下幾種類型：片形疇、封閉疇、旋轉疇、棋盤疇、柱形疇、蜂窩疇、迷宮疇、楔形疇等。在磁疇的邊界，磁矩從一個方向連續地過渡到另一個方向，從而有磁疇壁。典型的磁疇壁有布洛赫疇壁、奈爾疇壁等。在外磁場的作用下，不同方向的磁疇的大小發生變化，以致外磁場方向上的總磁矩隨外磁場的增強而增加。所以，磁疇的結構影響磁化過程和退磁化過程，從而影響材料的磁性能。
* **電極化狀態（ ordered）** ：當給電介質施加一個電場時，由於電介質內部正負電荷的相對位移，會產生電偶極子，這現象稱為電極化（electric polarization）。電極化狀態包括介電質（dielectric）、順電態（paraelectricity）、鐵電態（ferroelectricity）、反鐵電態（antiferroelectricity）、螺旋電態（helielectricity）、亞電態（ferrielectricity）。
* **鐵性狀態（ferroic ordered）** ：鐵磁性（Ferromagnetic）具有自發的磁化現象，磁場消失後磁性能保持。在外加磁場下，磁感應強度會隨著磁場的變向而變方向。鐵電性（Ferroelectric）材料具有自發極化，極化強度隨著外電場的改變而改變。鐵彈被性（Ferroelastic）材料是極化應變隨著應力而改變。它們的共同特點，功能性能響應有滯後，微觀上能形成疇結構，統稱鐵性（ferroic）。多鐵性材料（multiferroics）是指材料中包含相互耦合的兩種及兩種以上的鐵性性能。多鐵性材料可以通過其中一種鐵性改變來操控另一種鐵性，如通過電場控制磁化或者通過磁場控制電極化。
  * **鐵磁性（Ferromagnetic）反鐵磁性（Antiferromagnetism）** ：一個物質的晶胞中所有的磁性離子均指向它的磁性方向時才被稱為是鐵磁性的。若其不同磁性離子所指的方向相反，其效果能夠相互抵消則被稱為反鐵磁性。若不同磁性離子所指的方向相反，但是有強弱之分，其產生的效果不能全部抵消，則稱為亞鐵磁性。基本上鐵磁性這個概念包括任何在沒有外部磁場時顯示磁性的物質。
  * **鐵電性（Ferroelectric）反鐵電性（Antiferroelectricity）** ：在一些電介質晶體中，晶胞的結構使正負電荷中心不重合而出現電偶極矩，產生不等於零的電極化強度，使晶體具有自發極化，且電偶極矩方向可以因外電場而改變，呈現出類似於鐵磁體的特點，這種晶體的叫鐵電體。鐵電材料內部的電偶極子與材料的晶格密切相關，材料晶格的變化將導致材料自發極化的變化。改變晶格的兩個因素是力和溫度。外加的機械應力可以產生表面電荷的性質稱作壓電性，溫度的變化導致自發極化的變化的性質稱作焦電性。有一類物體在轉變溫度以下，鄰近的晶胞彼此沿反平行方向自發極化，可觀察到雙電滯回線，這種性質稱為反鐵電性。
  * **鐵彈性（Ferroelectric）** ：應變 S 對應於外力 σ 的變化有滯後現象，應力與應變呈非線性關係，自發應變方向可因外力場而反向，表徵鐵彈性的力滯回線，類似於鐵電體的電滯回線，這種晶體的叫鐵彈體。與順彈體 (paraelastic) 相對。
  * **鐵渦性（Ferrotoroidic）** ：材料中的磁矩按頭尾相連的形式凍結下來形成微小的渦旋，這種渦旋可以是順時針的或逆時針的，並可通過改變電場和磁場的特定組合來改變渦旋的方向。無論是磁系統還是電偶極矩系統都可能形成渦旋結構，渦旋的手性可用來表徵信息記錄的位，相應地把這種晶體的稱之為鐵渦體。
  * **鐵谷性（Ferrovalley）** ：能谷一般指布洛赫電子能帶的極值點處。如果材料中存在一系列具有穩定能態的能谷，原則上這些能谷就可以作為新型的自由度用於實現信息編碼和數據操作。在谷電子學材料中應該存在一類具有自發谷極化的材料，而類比於傳統電子學中具有自發電偶極矩的鐵電體和自旋電子學中具有自發自旋極化的鐵磁體，可被稱之為鐵谷體。
* **阻挫系統（Frustration）** ：如果近鄰作用無法同時滿足能量極小，就會出現幾何阻挫。在三角形面或正四面體為單元的晶格上的反鐵巧自旋模型通常巧會存在相互作用之間的競爭關係。由於在每個三角形或四面體單元中，總是不能同時滿足所有邊上的反鐵磁相互作用條件（即相鄰兩個自旋的朝向相反）．不同最近鄰邊上的反鐵巧相互作用的競爭會導致系統中存在大量能量相近的低溫構型，這種現象被稱為幾何阻挫。

## 常溫有序態

* **固態（Solid）** ：具有一定形狀和體積，自身內部的分子運動不劇烈，分子排列緊密。
  * **結晶固體（Crystalline solid）** ：組成的固體原子，分子或離子，有一個有序，重複的模式。
    * **塑性晶體（Plastic crystal）** ：又稱為**柔粘性結晶**，固體分子有固定位置，但保留了組成分子自由的旋轉。
  * **半晶態（part-crystalline））** ：複雜體系中由於化學鍵的複雜性，隨著外場條件發生變化，材料體系表現為**部分晶態 - 部分無序**（part-crystalline part-amorphous）和**部分晶態 - 部分液體**（part-crystalline part-liquid）的特殊狀態，材料宏觀上表現為固體狀態，但由於物質內部部分原子的劇烈無序和局部流動特性，經典固體理論中的基於小參數（small parameter）近似的聲子輸運理論不再適用，處於這樣狀態的物質普遍表現出反常的熱輸運行為和極低晶格熱導率等。
  * **准晶態（Quasicrystaline）** ：亦稱為擬晶（mimetic crystal），是一種介於晶體和非晶體之間的固體。在准晶的原子排列中，其結構是長程有序的，然而又不具有晶體所應有的平移對稱性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。
  * **一維有序晶體（one-dimensional long-range crystal）** ： 固體新結構一維有序結構（one-dimensional long-range order），該結構僅在一個方向上保留了晶體的平移對稱性和周期性，在其他方向上其原子呈現無序排列，形成了具有一維平移周期性的長程有序結構。構成一維有序晶體的結構單元的原子排列與重位點陣傾轉晶界的結構單元非常類似。2018 年由中科院研究團隊在 MgO 和 Nd2O3 薄膜材料中發現。
  * **二維晶體（2D crystals）** ：是一種由原子組成的平面薄膜，只有一個原子厚度的二維材料，比如石墨烯以及新近發現的鍺烯（germanene）。
* **液態（Liquid）** ：可變形但不可壓縮的流體。形狀由容器體積限定，在壓力影響下，體積（幾乎）不變。在不同的壓力下表現為**非剛性液體**（普通液體）和**剛性液體**（稠密流體），在兩者之間有一個 P-T 很窄的相變被命名為弗蘭克爾 (Frenkel) 線，剛性液體很硬，以至於有些 (儘管不是全部) 剪切波可以穿過。
  * **非牛頓流體（Non-Newtonian fluid）** : 部分液體摩擦應力的大小受作用力和剪應力所影響，在某一個流動情況之下便變成無定形體。除與當前的運動狀態外還與液體過去的運動狀態有關，此種液體有記憶效應。非牛頓流體可以分為純粘性非牛頓流體與粘彈性非牛頓流體兩類。
  * **液晶（Liquid crystal）** ：性質在液體和晶體之間。一般來說，能像液體一樣流動，但也表現出長程有序。
  * **酯膜結構（Acetate membrane structure）** ：酯膜結構和液晶一樣具有柔性排列結構的特性，但分子間的連結程度又較液晶更小，與液體相同，因此物質可以像在液體中一樣地通過酯膜結構的物質。
* **氣態（Gas）** ：可壓縮流體。形狀和體積都由容器限定。

## 常溫無序態

在有序系統中引入各類缺陷或在部分自由度上造成無序可以組合出許多種半有序結構，它們與玻璃態或其他非平衡態的界限往往較模糊。可以按以下思路生成更多的半無序系統：一是向有序系統中混入一些缺陷或摻雜 (比如多晶)，二是讓系統在某些自由度上有序而其他自由度上無序，由此可組合出各種半無序系統。

* **玻璃態（Glassy State）、非晶形固體（Amorphous solid）** ：或稱非晶體、無定形態（amorphous state），一種非平衡態，擁有類似液體的不規則結構，但分子間的運動相對不自由，非晶態物質原子的排列具有近程有序、長程無序的狀態，宏觀上表現為各向同性（isotropy）。其中的原子不按照一定空間順序排列，沒有規則的幾何外形，沒有固定的熔點和各向異性。由於長程無序而使其內能並不處於最低狀態，屬於亞穩相，向晶態轉化時會放出能量。常見的非晶態固體有高分子聚合物、氧化物玻璃、陶瓷玻璃，非晶形玻璃（Amorphous glassy solid）、非晶形橡膠（Amorphous rubbery solid）、非晶態金屬和非晶態半導體等。玻璃態（Glassy State）的物質是粘度非常大的液體，大到它們甚至不會流動的程度。玻璃就是玻璃熔體經過過冷，然後再進行快速冷卻得到的物體。非晶態物質中的存在玻璃相變、Gardner 相變和 jamming 相變。可以分為慢冷玻璃和快冷玻璃。氣相沉積法製備出高緻密玻璃，這種超穩定玻璃有著極高的動力學穩定性和其他異常性能。平衡態只有一個，即自由能最低的晶體，但經過在 TK 附近可能的熱力學轉變後的最穩定玻璃態具有接近於晶體的熵，即**理想玻璃 (ideal glass)**。
  * **多晶（polycrystal）** ：由許多晶格取向不同的晶疇組成，平均晶疇直徑小於 100 nm 的多晶也叫納晶，目前超細納晶直徑有幾奈米，即十幾個原子直徑，更加細小的晶疇往往不穩定，超細晶疇多晶（Superfine domain polycrystal）趨向於玻璃態。部分自由度上的無序系統還可以進一步和具有缺陷的半無序系統組合出更多的半無序系統，比如多晶狀的液晶結構。
  * **過冷液體（Supercooled Liquid）** ：液體在結晶溫度以下為亞穩態的過冷液體。液體越純淨，結晶中心越難形成。如果降低至凝固點以下仍未形成，則過冷。當用適當的方式緩慢冷卻飽和溶液時，可使其變成過飽和而不析出溶質的結晶，這種現象也稱為過冷，這種溶液稱為過冷溶液。過冷溶液也是不穩定的。，快速降溫可以使過冷液體中的粒子來不及排列成能量最低的晶體結構就互相卡住，凝固成無序的玻璃態。
  * **過冷氣體（Supercooled Gas）** ：氣體處於過冷狀態 (或稱過飽和狀態) 常見有兩種物理情況，一是氣體中液體凝聚核半徑過小，或是氣液交界面是曲面。過冷氣體也是亞穩態的。氣相粒子沉積在一起顯然也可以形成無序固體。
  * **液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomers）** ：本質上是具有液晶性質的類橡膠，當暴露於光、熱、氣體和其他刺激物時，它們可以彎曲、起皺或伸展。取向有序位置無序的向列型液晶及其相關固相。
  * **塑性晶體（plastic crystal）** ：液晶分子可以由棒狀膠體粒子代替；棒狀膠體粒子位置有序取向無序的旋轉相 (rotator phase)。
  * **單層阻挫膠體晶體（monolayer Frustrated Colloidal Crystals）** ：有序晶格中粒子的軟硬度無序；xy 平面內為有序三角晶格，而在 z 方向為無序的上、下兩個伊辛態。
* **膠體（Colloid）** ：又稱膠狀分散體（colloidal dispersion）是一種均勻混合物，其中含有兩種不同相態的物質，一種分散，另一種連續。分散的一種由微小的粒子或液滴組成，大小介於 1-100 奈米之間，且幾乎遍佈整個連續相態中。按照分散劑狀態不同分為：氣膠（gasoloid），液溶膠（lyosol），固溶膠（solid sol）有珍珠、泡沫塑料、煙水晶等。膠體粒子像一種可以被設計製造的「大原子」，比如通過化學合成、光刻等方法可以製備出各種大小和形狀的膠體粒子，而通過調節膠體表面聚合物或電荷、加入磁性材料、調節溶液性質等方法可以改變粒子間的作用勢。
  * **凝膠（Gel）** ：又稱凍膠。高分子溶液和某些溶膠在一定條件下互相連接，形成空間網狀結構，結構空隙中充滿了作為分散介質的液體（在干凝膠中也可以是氣體，干凝膠也稱為氣凝膠），整個體系會轉變成一種彈性的半固體狀態的稠厚物質，失去流動性。這種現象稱為膠凝作用（gelation），所形成的產物叫做凝膠或凍膠。氣凝膠（Aerogel）是指分散係為氣態的，如：雲，霧等，固凝膠，液凝膠就是呈液態的膠體，如氫氧化鐵膠體。膠體小球形成凝膠往往需要數密度低的短程吸引粒子，數密度高時形成玻璃態。
* **超齊構體（hyperuniformity）** ：亦稱**無序超均勻態（amorphous Hyperuniform Fluids）** 或**超同質體 (superhomogeneity)**，根據粒子空間的分布，一般可將物質分為有序態和無序態。前者包括周期性排布的晶體以及准晶，後者則包括氣態，液體，玻璃態等。無序超均勻態，一種介於無序和有序之間的一種新的物態，即這種物態首先是無序的（粒子的分布顯得毫無規律），但是卻有著和晶體一樣的均勻性。缺少平移對稱性，但卻能像晶體一樣產生光子帶隙。不同於各向異性的光子晶體帶隙，無序超均勻態的光子帶隙是各向同性的，而且更容易打開。雞類的視錐細胞是一種同時兼具偶然性和高度均勻性的分布模式，在質數的分布，電漿體，硬球的密堆積，宇宙大尺度結構，軟物質膠體等體系中也發現了超均勻態存在的線索。超齊構體系統主要分為兩類。第一類是在系統達到平衡狀態（equilibrium）時呈現出的超齊構體分布，准晶體 —— 一類內部原子不遵守重複規律排布，卻能完全鑲嵌滿空間的固體就是其中之一。在第一類超齊構體系統（平衡系統）之中，同一系統中微粒間的相互斥力使不同成分間保持距離，從而維繫超齊構體狀態。第二類超齊構體屬於非平衡系統，組成系統的微粒之間相互碰撞，但彼此之間不存在相互斥力，必須要有外力施加於這些系統才能使系統維持超齊構體的狀態。玻璃彈珠、乳濁液、膠質及冷原子系綜都屬於上述類型。而在非平衡超齊構體這一大類中，乳濁液的超齊構體是可以被特定振幅的晃動所誘發的，這一振幅標誌了材料從可逆到不可逆性的臨界轉變，當體系以低於臨界振幅的幅度晃動時，分散在乳濁液體系中的微粒在每次晃動停止之後還可以回到它們之前的相對位置；而當體系以高於臨界振幅的幅度晃動時，微粒的運動就是不可逆的了。至於鳥類眼睛中，被科學家們稱為「多視錐超齊構體」（Multihyperuniform）的五色分布模式。
  * **超均勻活性流體態（Hyperuniform Fluids of Circle Active）** ：這種流體態的特殊之處在於在大尺度上具有和晶體相似的超均勻性，但在小尺度上卻可以永不停歇的聚集消散，表現出大漲落。從材料學角度上看，這種超均勻流體有望成為和光子晶體對應的「光子液體」(photonic liquids)。活性粒子是指不依靠外界能量而自發運動的非平衡粒子組成活性物質，包括鳥群，魚群，人群，細胞組織，細胞的微管微絲，以及依靠化學反應的自驅動膠體顆粒，他們表現出很強的集體運動行為。活力物質一個顯著的特徵是不需要吸引就可以通過信息傳遞或者一些非平衡態機制自發聚集，表現出「巨漲落」，氣液相分離等複雜的性質。活力物質的大漲落特性意味著體系密度分布極端地不均勻。這和超均勻性背道而馳。如果體系密度較高或者粒子旋轉半徑比較大，由於空間的限制，粒子間的碰撞將不會衰減，體系就會處於一種持續碰撞並擴散的活力流體態（active state），並且自發產生超均勻性。
* **軟凝聚態（soft condensed state)**：或稱軟物質，介於常見流體與固體之間的一類物質，涵蓋了大量與日常生活和工業相關的各種不同系統，從聚合物到膠體，從液晶到表面活化劑，從肥皂泡到大分子溶液。軟物質表現出與固體和液態不同的特性，它經常有更多豐富和多變的形貌，最突出的性質是它的自組織能力，理解這些體系的自組裝和結構相變對新材料的製備和新結構的實現是非常重要的。隨著系統複雜程度的增加，僅僅有相互作用還不能決定物質結構的最後狀態。因此跟傳統的流變學所研究的物質應該在很大程度上有所重疊，區別是流變學關注這類物質的力學行為，比如本構本構關係及力學表現，軟凝聚態物質則更關注尺度效應、擾動 / 布朗運動對軟凝聚態物質的影響和這類物質表現出的自組裝（self-assembly）特性。
* **粉態（micromeritic state）** ：粉體是無數個固體粒子集合體的總稱。粒子是指粉體中不能再分離的運動單位。但習慣上，將≤100μm 的粒子叫「粉」，＞100μm 的粒子叫「粒」。通常說的「粉末」、「粉粒」或「粒子」都屬於粉體學的研究範疇。將單一結晶粒子稱為一級粒子（primary particle），將一級粒子的聚結體稱為二級粒子（second particle）。由范德華力、靜電力等弱結合力的作用而發生的不規則絮凝物（random floc）和由粘合劑的強結合力的作用聚集在一起的聚結物屬於（agglomerate）二級粒子。

## 奈米相、分子相

* **超材料（Metamaterial）** 、**超表面（Metasurfaces）** ：是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上進行結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料，達成特殊功能。超表面是指一種厚度小于波長的人工層狀材料。超表面可實現對電磁波偏振、振幅、相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調控。 超表面可視為超材料的二維對應。典型的超材料有**仿生超材料**、**生物超材料**、**智能超材料**、**軟性材料**、**記憶材料**、**數字超材料**、**可調超材料**、**奈米複合材料**、**高效防冰材料**、**自我修復材料**、**熱電材料**、**輻射製冷超材料**、**超疏水材料**、**左手材料**、**光子帶隙材料**、**光子晶體**、**聲子晶體**、**光學超晶格**、**聲學超晶格**、**電磁晶體**、**負曲率光纖**、**金屬水**、**離子液體**、**液態金屬**、**無聲金屬**、**磁性液體**、**量子點**、**鈣鈦礦**、**隱身斗篷**、**完美透鏡**、**全光信息元器件**、**光操縱材料**、**電磁超材料**、**光學超材料**、**聲學超材料**、**熱力學超材料**、**力學結構超材料**（**負泊松比超材料**、**五模式反脹力學超流體超材料**、**負熱膨脹超材料**、**負壓縮性結構材料**、**輕質超強度力學超材料**、**可調楊氏模量力學超材料**）、**彈性超材料**、**無耗能電子材料**、**隔音超材料**、**聲電複合超材料**、**磁光效應材料**、**超磁性材料**、**非線性光學超材料**、**零折射率超材料**、**負折射率材料**、**非正定介質材料**、**人工磁導體**、**頻率選擇表面**、**可重構超表面**、**複合超表面**、**時變超表面**、**雙曲超材料**、**梯度超材料**、**莫爾手性超材料**、**活化太赫茲超材料**、**可調介質超材料**（**磁可調介質超材料**、**電可調介質超材料**、**溫度可調介質超材料**、**光可調介質超材料**）**隱身材料**（**紅外隱身材料**、**雷達隱身材料**、**可見光隱身材料**、**聲隱身材料**、**雷射隱身材料**）、**基於傳輸線結構的超料**、**電漿結構的超材料**、**雙負 (負等效質量密度、負等效彈性模量) 彈性超材料**等等。
* **微相分離（Microphase-separated）** ：共聚物可以進行微相分離，以形成一個多元化的周期奈米結構陣列。這個尺寸是微觀或亞微觀的，外觀上是均勻的看不出分層現象，但是用微觀手段仍能觀察到兩相結構的存在。
* **奈米態（nanometer state）** ：物質構成的過程中在奈米尺度下隔離出來的幾個、幾十個可數原子或分子，顯著地表現出許多新的特性。奈米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點，以及其特有的表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。奈米效應就是指奈米材料具有傳統材料所不具備的奇異或反常的物理、化學特性。奈米技術是指在 0.1~100 奈米的尺度里，研究電子、原子和分子內的運動規律和特性的技術，以控制單個原子、分子來實現特定的功能，利用電子的波動性來工作的，包括分子奈米技術、奈米級微加工技術、生物奈米技術。
* **分子監獄（Carcerand）** 與**半 - 分子監獄（Hemicarcerand）** ：分子監獄是指一類閉合的分子容器，據有較大空腔沒有出入口。能夠使客體分子完全陷入其中，即使在高溫條件下也不能脫離出來。這種類型的分子是在 1985 年由唐納德・詹姆斯・克萊姆 (Donald James Cram) 首次描述的。由於其構造和監獄相類似，而且形成穩定絡合物分子，所以也稱此種絡合物為**牢籠式絡合物（Carceplex）** 。與分子監獄相對的是半 - 分子監獄，在常溫下則會形成穩定的絡合物，但在高溫下能讓客體分子自由進出其空腔，這種絡合物是也稱**半牢籠式絡合物（Hemicarceplexes）** 。這些客體分子存在的物態不同於常見的相態。這些分子容器內的化合物作為內相時，可觀察到完全非同一般的絡合反應，可防止它們與其他分子發生反應。
* **姜 - 泰勒金屬（Jahn-Teller Metallic）** ：集絕緣體、超導體、金屬和磁體的特性於一體的新物質形態。2015 年日本化學家通過將銣原子引入 C60 中，改變了碳原子之間的距離，強迫其形成了一種新的晶體結構。這個名字來自姜 - 泰勒 (Jahn-Teller) 效應，該效應形容在低壓環境下，電子狀態下呈幾何排列的分子和離子能發生扭曲，這種新物質狀態能通過簡單施壓將絕緣體變為導體，且這種效果能持續一段時間，而分子還能維持其原有的形狀。因此這種物質形態會有各種重疊，暗示著能將絕緣材料變為超導體。這種 C60 晶體結構在相對較高的臨界溫度下能變為超導體。
* **單晶狀三維結構液滴（single-crystal-like 3D structural droplets）** ：單晶體具有堅固的多面體形狀，但這種新物質的形狀類似液滴，而且具有流動性，表現出了結構特性與運動性相矛盾的性質。在重力作用下，該液滴狀物質可以在不破壞結構順序的同時，單向旋轉並流動。這種單向旋轉流動的特性是通過分子的手性實現的。研究人員設計了側鏈帶手性酯基的三亞苯衍生物（chiral discotic triphenylene）自組裝，調查了其相變動作和聚集的構造，發現該物質的中間相層疊了由獨具特色的人字形結構的二維薄膜，形成了像單晶體一樣的三維結構。
* **籠目金屬（Kagome Metallic）** ：傳統的日本籃子編織技術融合了一種稱為「Kagome」的圖案，其由交錯排列的對稱三角形組成，聯合正三角形和正六邊形組成二維 kagome 晶格。如果金屬或其它導電物質的原子可以以這種模式排列，則所得到的材料可能展示出奇特的電子特性。電流中的電子不像預期的那樣直接流過晶格，而是沿著圓形邊緣流動且不會損失能量。

## 高能量態

* **超臨界流體（Supercritical fluid）** ：也叫超臨界態，在超過臨界點的溫度及壓力時，出現液體，氣體無法區分的物質狀態。
* **流動固體（flow Solid）** ：同一物質同時擁有晶體和液體的特性，顯示了長程有序的晶體特徵和液體流動行為共存。在流動固體中，原子的遷移能力與液體不相上下，並具有一定的各向異性，其中原子大範圍的遷移運動通過分析分子動力學的原子運動軌跡清晰可辨，但它們在長時間、系綜統計的意義上是相互關聯的，並形成規則的網格結構。這些運動軌跡的長時間系綜平均給出了完整有序的原子密度分布，顯示了該相所具有的長程有序、各向異性等晶體特徵。如果將原子擴散按不同方向投影，分解出的均方位移清晰地展示了原子移動的各向異性特徵。
* **鏈融態（chain-melted state）** ：其中原子可同時以固態和液態存在，計算機模擬對原子施加高溫高壓會導致兩個相互連結的固體晶格結構的形成，其中一個晶格中原子之間的化學相互作用很強，當結構被加熱時它們保持固態；而其他原子則熔化成液態。在合適的條件下，包括鉀、鈉和鉍在內的六種以上的元素能以新發現的這種狀態存在。
* **超離子態（Superionic）** ：在一些物質中觀察到，有些原子固定在晶格上， 其它的原子則可在晶體中自由移動。水在高溫及超高壓的狀態下可能形成超離子態，氧原子被凍結在不規則的晶格上，氫原子核則可在氧原子間自由活動，使水具有導電性，水中的氫原子核如同導體中的電子。
* **透明鋁（Transparent aluminium）** ：2009 年利用德國漢堡電子同步加速器中心的自由電子雷射裝置（FLASH）產生的極短軟 X 射線脈衝，集中發射到頭髮絲直徑 1/20 的金屬鋁點上，每個鋁原子都失去一個核心電子，同時卻沒有破壞鋁內部的晶體結構，從而使金屬鋁在極短紫外線輻射的狀態下變得近乎透明，維持了約 40 飛秒。這一光化電離方式是研製類似新態物質的理想方式，極強的 X 射線源可催生新的物質狀態。
* **電漿態（電漿，Plasma）** ：在高溫下，電子完全從原子中電離出來，所組成的自由電子氣體。
* **夸克 - 膠子電漿體（Quark-gluon plasma，簡稱 QGP）** ：一種量子色動力學下的相態，所處環境為極高溫與極高密度。自由夸克存在於膠子海洋中的物質狀態。
* **彩色玻璃冷凝物（Color-glass condensate）** ：質子相互撞擊還會產生一種液狀物波膠子。
* **簡併態（Degenerate matter）** ：物質有非常高的壓力，由泡利不相容原理支持。
  * **超級固態（super solid state）** ：在 140 萬大氣壓下，物質的原子就可能被「壓碎」，電子全部被「擠出」原子，形成電子氣體，裸露的原子核緊密地排列，物質密度極大。該狀態下的物質類似一種晶體固態，但能像滑潤的、無粘性的液體那樣流動。
  * **溫稠密物質（warm dense matter，WDM）** ：這是一種達到 0.1~100 eV 的中高溫狀態極端狀態，而它的密度相當於具有完全或部分簡併電子的強耦合電漿體。其電子處於部分電離、部分束縛的狀態，成分包括自由和束縛電子、離子、原子、分子以及它們組成的束團，一般處於高壓狀態。通常這類物質具有高的能量密度特徵。WDM 通常僅僅在實驗室或星際中大於 1 Mbar 的壓力下才會存在，例如棕矮星、古老恆星的外殼、白矮星等天體中；或在能產生高壓的天文現象中也會出現，如超新星爆炸、天體碰撞和天體噴射等。
  * **電子簡併態（Electronic degenerate matter）** ：又稱為**超金屬**、，白矮星的組成物質，密度很大。電離的電子在被電離的離子能態上形成的簡併態物質。
    * **非金屬單質轉化金屬態**：所有的非金屬單質均可在一定條件下轉變為金屬形態。60 年代，通過高壓製備了「金屬碘」，然後黑磷等等的發現也在逐漸證實這一觀點。逐漸地，硫等等單質均被高壓所征服。而氫所在的 IA 族，只有氫元素不是金屬，其下的 Li~Fr 都是。北京高壓科學研究中心的研究者將氯壓縮至 300 GPa (三百萬大氣壓) 以上，利用可見光吸收光譜觀察到帶隙隨壓力施加而逐漸減小，最終在 200 GPa 附近完全閉合，這一發現被認為是氯分子金屬化出現的特徵。當壓力進一步增加到 241 GPa 時，拉曼光譜上顯示出所有分子振動模式的消失，意味著氯分子鍵的斷裂 — 氯分子被解離成原子形式，此時仍具有金屬特性，為原子態金屬。
    * **金屬氫（Metallic hydrogen）** ：是由氫原子核（即質子）組成的晶體結構，其原子間隔小於玻爾半徑，與電子波長長度相當。電子脫離了分子軌道，表現為一般金屬中的傳導電子。金屬氫中的質子既是普通陽離子，又是原子核，因此金屬氫也是唯一既屬於超金屬，又屬於通常金屬的物質。固態分子氫主要具有 3 個相，絕緣量子分子相 (I)、低溫對稱性破缺相 (II) 和分子金屬相 (III)，三相交於一個三相點 (153 GPa/120 K)。在 250GPa 以上，固態氫變得不透明，可能有部分分子裂解成為單原子，處於一種氫分子與氫原子共存的相。在極端高壓下，氫分子會發生分解，形成的全新物質形態固體金屬氫原子，第四狀態氫，在接近室溫的條件下對氫氣施加高達 230 吉帕斯卡（GPa）的壓力，得到一種氫分子和氫原子的混合狀態，並將其稱為第五狀態氫，極有可能是完全由氫原子構成的金屬氫的前體。之後可能還有一個第六狀態，也就是原金屬氫。2017 年 1 月，哈佛大學的研究團隊宣布在接近絕對零度的 495 吉帕斯卡（GPa）在超低溫和超高壓條件下下，獲得了金屬氫。質子在密集的狀態下，零點能也很高，在高壓縮狀態下，有序能會降低，變成有良好導電性質的液體，成為**液態金屬氫**。有理論稱**亞穩態金屬氫**（簡稱 MSMH）在壓力釋放之後，可能不會立即恢復成普通氫氣。2019 年山東大學研究團隊研究表示，束縛於碳奈米管的准一維氫在 163.5GPa（即 163.5 萬倍大氣壓）下可以變為準一維金屬態，其超導的臨界溫度也接近室溫。
  * **中子簡併態（Neutron-degenerate matter）** （中子態 Neutronium）：中子星的組成物質。恆星引力坍縮的巨大壓力將電子壓入原子核，成為原子核的一部分，與質子結合為中子，形成主要由中子組成的密度極大質量極大的物質。
  * **夸克物質（Quark matter））** ：也被稱為量子色動力學物質（QCD matter），夸克突破夸克禁閉（quark confinement）也稱色禁閉。可能存在一些特別大的中子星，可形成穩定在較低的能量狀態。
    * **奇異物質（Strange matter）** ：是夸克物質的一種特例，包含上夸克、下夸克和奇夸克的流體。這是與核物質（質子、中子等構成的普通物質）及非奇異夸克物質（non-strange quark matter，除奇異物質外的夸克物質）相對的概念。
* **輻射場態（Radiation field matter）** ：又叫真空（vacuum）場態物質，真空中，即便沒有實體粒子，也存在引力場和熱輻射。具有輻射作用的場，包括電磁場（包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線和 γ 射線等）和引力場等。滿足一定條件場和實體粒子可以相互轉化。
* **量子場態（Quantum field matter）** ：量子場論中，物質的質量僅被視為場的平方項之係數，並不具備實質物理意義。場是彌散於全空間的，比如電場、引力場、磁場等等。場的物理性質可以用一些定義在全空間的量描述，這些場量是空間坐標和時間的函數，它們隨時間的變化描述場的運動。

## 甚高能量態

* **弱對稱物質（Weakly symmetric matter）** ：大爆炸後 10-12 秒後，弱相互作用和電磁相互作用統一時產生。
* **強對稱物質（Strongly symmetric matter）** ：大爆炸後 10-36 秒後， 隨著宇宙的擴大，溫度和密度下降，強作用力的分離，這個過程被稱為對稱破缺。
* **引力奇點（Gravitational singularityr）** ：也稱時空奇異點或奇點，是一個體積無限小、密度無限大、時空曲率無限大的點。引力異常所預測的廣義相對論存在的黑洞中心，它不是一個物質的相態（雖然大規模的能源有助於其創造物質）。

## 其他

* **暗物質（Dark matter）** ：無法通過電磁波的觀測進行研究，也就是不與電磁力產生作用的物質。

## 相的周期表

2012 年加拿大佩里米特理論物理研究所研究員文小剛在美國《科學》雜誌的發表文章提出一種能夠最終對相態進行分類的新理論體系，物質有 500 多種相態。該理論可以在任何維度、任何對稱性的基礎上對保有對稱性的相態實施構築和分類。

 

## 參見

* 相態
* 物質狀態

## 參考資料