Anar al contingut

Física de la matèria condensada

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià
Efecte Meissner, un eixemple de superconductividad.
Cela hexagonal del niobato de liti.

La física de la matèria condensada és la branca de la física que estudia les característiques físiques macroscòpiques de la matèria, tals com la densitat, la temperatura, la durea o el color d'un material. En particular, es referix a les fases «condensadas» que apareixen sempre que el número de constituents en un sistema siga extremadament gran i que les interaccions entre els components siguen forts, a diferència d'estar lliures sense interactuar. Els eixemples més familiars de fases condensadas són els sòlits i els líquits, que sorgixen a partir dels enllaços i unions causats per interaccions electromagnètiques entre els àtoms. Entre les fases condensadas més exòtiques es conten les fases superfluidas i el condensado de Bose-Einstein, que es troben en certs sistemes atòmics somesos a temperatures extremadament baixes, la fase superconductora exhibida pels electrons de la conducció en certs materials, i les fases ferromagnética i antiferromagnética d'espin en rets atòmiques. La física de la matèria condensada busca fer relacions entre les propietats macroscòpiques, que es poden medir i el comportament dels seus constituents a nivell microscòpic o atòmic i aixina comprendre millor les propietats dels materials.

La física de la matèria condensada és la branca més extensa de la física contemporànea. Com a estimació, un terç de tots els físics nortamericans s'identifica a sí mateixa com a físics treballant en temes de la matèria condensada. Històricament, dit camp va nàixer a partir de la física de l'estat sòlit, que ara és considerat com un dels seus subcampos principals. El terme física condensada de la matèria va ser falcat, segons pareix, per Philip Warren Anderson, quan renombró al seu grup d'investigació, fins a llavors teoria de l'estat sòlit, en 1967. En 1978, la Divisió de Física de l'Estat Sòlit de l'American Physical Society va ser renombrada com a Divisió de Física de Matèria Condensada. La física de la matèria condensada té una gran superposició en àrees d'estudi de la química, la ciència de materials, la nanotecnología i l'ingenieria.

Una de les raons per a que la física de matèria condensada reba tal nom és que molts dels conceptes i tècniques desenrollats per a estudiar sòlits s'apliquen també a sistemes decorreguts. Per eixemple, els electrons de conducció en un conductor elèctric formen un tipo de líquit quàntic que té essencialment les mateixes característiques que un decorregut conformat per àtoms. De fet, el fenomen de la superconductividad, en el qual els electrons es condensan en una nova fase decorreguda en la qual puguen fluir sense malbarat, presenta una gran analogia en la fase superfluida que es troba en el heli-3 a molt baixes temperatures.

Temes de física de matèria condensada

[editar | editar còdic]
    • Microscopía de força de resonància magnètica.
    • Transport de la calor en sistemes nanoscópicos.
    • Transport d'espin.

Història de la física de la matèria condensada

[editar | editar còdic]

Física clàssica

[editar | editar còdic]
Heike Kamerlingh Onnes i Johannes van der Waals en el heli licuefactor en Leiden en 1908

Un dels primers estudis sobre els estats condensados de la matèria va ser realisat pel químic anglés Humphry Davy, en les primeres décades de el XIX. Davy va observar que dels quaranta elements químics coneguts en eixe moment, vintissís tenien propietats metàliques tals com llustre, ductilitat i alta conductivitat elèctrica i tèrmica.[1] Açò indicava que els àtoms de la teoria atòmica de John Dalton no eren indivisibles com afirmava Dalton, sino que tenien estructura interna. Davy va afirmar ademés que els elements que llavors es creïa que eren gasos, com el nitrogen i el hidrogen, podien licuarse en les condicions adequades i llavors es comportarien com a metals.[2]{NoteTag|Tant l'hidrogen com el nitrogen s'han licuado des de llavors; no obstant, el nitrogen i l'hidrogen líquits ordinaris no posseïxen propietats metàliques. Els físics Eugene Wigner i Hillard Bell Huntington varen predir en 1935[3] que existix un estat hidrogen metàlic a pressions suficientment altes (més de 25 GPa), pero encara no s'ha observat).

En 1823, Michael Faraday, llavors assistent en el laboratori de Davy, licuó en èxit el clor i va passar a licuar tots els elements gaseosos coneguts, llevat el nitrogen, l'hidrogen i l'oxigen.[1] Poc despuix, en 1869, el químic irlandés va estudiar la transició de fase d'un líquit a un gas i va falcar el terme punt crític per a descriure la condició en la que un gas i un líquit eren indistinguibles com a fases,[4] i el físic holandés va aportar el marc teòric que va permetre predir el comportament crític basant-se en medicions a temperatures molt més altes.[5]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where  Cap a 1908, James Dewar i Heike Kamerlingh Onnes varen conseguir licuar en èxit l'hidrogen i després el recent descobert heli, respectivament.[1]


Paul Drude en 1900 va propondre el primer model teòric per a un clàssica electró movent-se a través d'un sòlit metàlic.[6] El model de Drude descrivia les propietats dels metals en térmens d'un gas d'electrons lliures, i va anar el primer model microscòpic que explicava observacions empíriques com la llei de Wiedemann-Franz.[7][8] No obstant, a pesar de l'èxit del model d'electrons lliures de Drude, tenia un problema notable: era incapaç d'explicar correctament la contribució electrònica al calor específica i a les propietats magnètiques dels metals, i la dependència de la temperatura de la resistividad a baixes temperatures.[9]

En 1911, tres anys en acabant de que es licuara l'heli per primera volta, Onnes, que treballava en l'Universitat de Leiden, va descobrir la superconductividad en el mercuri, quan va observar que la resistividad elèctrica del mercuri desapareixia a temperatures inferiors a un determinat valor.[10] El fenomen va sorprendre per complet als millors físics teòrics de l'época, i va permanéixer sense explicació durant vàries décades.[11] Albert Einstein, en 1922, va dir sobre les teories contemporànees de la superconductividad que "en la nostra profunda ignorança de la mecànica quàntica dels sistemes composts estem molt llunt de poder compondre una teoria a partir d'estes vagues idees. "[12]

Alvanç de la mecànica quàntica

[editar | editar còdic]

El model clàssic de Drude va ser aumentat per Wolfgang Pauli, Arnold Sommerfeld, Felix Bloch i atres físics. Pauli es va donar conte de que els electrons lliures en el metal devien obedir l'estadística de Fermi-Dirac. Utilisant esta idea, va desenrollar la teoria del paramagnetisme en 1926. Poc despuix, Sommerfeld va incorporar l'estadística de Fermi-Dirac al model dels electrons lliures i ho va millorar per a explicar la capacitat calorífica. Dos anys més vesprada, Bloch va utilisar la mecànica quàntica per a descriure el moviment d'un electró en una ret periòdica.[9]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where  La matemàtica de les estructures cristalines desenrollada per Auguste Bravais, Yevgraf Fyodorov i uns atres es va utilisar per a classificar els cristals pel seu grup de simetria, i les taules d'estructures cristalines varen ser la base de la serie Taules Internacionals de Cristalografia, publicada per primera volta en 1935.[13] La Càlcul de l'estructura de bandes es va utilisar per primera volta en 1930 per a predir les propietats de nous materials, i en 1947 John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley varen desenrollar el primer transistor basat en semiconductors, lo que va supondre una revolució en l'electrònica.[6]

Rèplica del primer transistor de contacte puntual en Bell labs.

En 1879, Edwin Herbert Hall treballant en l'Universitat Johns Hopkins va descobrir un voltage desenrollat a través de conductors travessers a una corrent elèctrica en el conductor i un camp magnètic perpendicular a la corrent.[14] Este fenomen que sorgix per la naturalea dels portadors de càrrega en el conductor va aplegar a denominar-se efecte Hall, pero no es va explicar adequadament en el seu moment, ya que l'electró no es va descobrir experimentalment fins a 18 anys despuix. Despuix de l'arribada de la mecànica quàntica, Lev Landau va desenrollar en 1930 la teoria de la cuantización de Landau i va assentar les bases per a l'explicació teòrica del efecte Hall quàntic descobert mig sigle despuix.[15]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where [16]


El magnetisme com a propietat de la matèria es coneix en China des de l'any 4000 a. C.[17]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where  No obstant, els primers estudis moderns sobre el magnetisme no es varen iniciar fins al desenroll de l'electrodinàmica per part de Faraday, Maxwell i uns atres en el XIX, que incloïa la classificació dels materials en ferromagnéticos, paramagnéticos i diamagnéticos en funció de la seua resposta a la magnetisació.[18] Pierre Curie va estudiar la dependència de la magnetisació en la temperatura i va descobrir la transició de fase punt Curie en els materials ferromagnéticos.[17] En 1906, Pierre Weiss va introduir el concepte de domini magnètic per a explicar les principals propietats dels ferromagnetos.[19]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where  El primer intent de descripció microscòpica del magnetisme va ser realisat per Wilhelm Lenz i Ernst Ising a través del model de Ising que descrivia els materials magnètics com si consistiren en una ret periòdica d'espin que adquirien colectivament magnetisació.[17] El model de Ising va ser resolt en exactitut per a demostrar que la magnetisació espontànea no pot produir-se en una dimensió pero és possible en rets de dimensions superiors. Investigacions posteriors com les de Bloch sobre ones d'espin i Néel sobre antiferromagnetismo varen dur a desenrollar nous materials magnètics en aplicacions a dispositius d'almagasenament magnètic.[17]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where 

Física moderna de molts cossos

[editar | editar còdic]
Un iman levitando sobre un material superconductor.
Un iman levitando sobre un superconductor d'alta temperatura. Hui en dia, alguns físics estan treballant per a entendre la superconductividad d'alta temperatura utilisant la correspondència AdS/CFT.[20]

El model de Sommerfeld i els models d'espin per al ferromagnetisme varen ilustrar l'aplicació exitosa de la mecànica quàntica als problemes de la matèria condensada en la década de 1930. No obstant, encara quedaven varis problemes sense resoldre, sobretot la descripció de la superconductividad i l'efecte Kondo.[21] Despuix de la Segona Guerra Mundial, es varen aplicar vàries idees de la teoria quàntica de camps a problemes de matèria condensada. Entre elles, el reconeiximent dels modos d'excitació colectiva dels sòlits i l'important noció de cuasipartícula. El físic rus Lev Landau va utilisar l'idea per a la teoria del líquit de Fermi, en la que les propietats de baixa energia dels sistemes de fermiones que interactuen es donaven en térmens de lo que ara es denomina cuasipartículas de Landau.[21] Landau també va desenrollar una teoria de camp mig per a les transicions de fase contínues, que descrivia les fases ordenades com ruptura espontànea de la simetria. La teoria també va introduir la noció d'un paràmetro d'orde per a distinguir entre fases ordenades.[22] Finalment, en 1956, John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer varen desenrollar la cridada teoria BCS de la superconductividad, basada en el descobriment de que una atracció arbitrariamente chicoteta entre dos electrons d'espin opost mediada per fonones en la ret pot donar lloc a un estat lligat cridat parell de Cooper.

l'efecte Hall quàntic: Components de la resistividad Hall en funció del camp magnètic extern[23]<span title="Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «DecodeEncode».">: Plantilla:R/where 

L'estudi de les transicions de fase i el comportament crític dels observables, denominats fenomens crítics, va anar un important camp d'interés en la década de 1960.[24] Leo Kadanoff, Benjamin Widom i Michael Fisher varen desenrollar les idees del exponent crítics i del escalamiento de widom. Estes idees varen ser unificades per Kenneth G. Wilson en 1972, baix el formalisme del grup de renormalización en el context de la teoria quàntica de camps.[24]


l'efecte Hall quàntic va ser descobert per Klaus von Klitzing, Dorda i Pepper en 1980 quan varen observar que la conductància Hall era múltiple sancer d'una constant fonamental e2/h. (vore figura) Es va observar que l'efecte era independent de paràmetros com el tamany del sistema i les impurees.[23] En 1981, el teòric Robert Laughlin va propondre una teoria que explicava la precisió no prevista del replanell integral. També va implicar que la conductància de Hall és proporcional a un invariante topològic, cridat número de Chern, la rellevància del qual per a l'estructura de bandes dels sòlits va ser formulada per David J. Thouless i colaboradors.[25][26] Poc despuix, en 1982, Horst Störmer i Daniel Tsui varen observar l'efecte Hall quàntic fraccionario a on la conductància era ara un múltiple racional de la constant e2/h. Laughlin, en 1983, es va donar conte de que açò era una conseqüència de l'interacció de cuasipartículas en els estats Hall i va formular una solució per método variacional, denominada funció d'ona de Laughlin.[27] L'estudi de les propietats topològiques de l'efecte Hall fraccionario seguix sent un camp d'investigació actiu.[28] Décades més vesprada, la mencionada teoria de bandes topològiques alvançada per David J. Thouless i colaboradors[29] es va ampliar encara més duent al descobriment dels aïllants topològics.[30][31]


En 1986, Karl Müller i Karl Alexander Müller varen descobrir el primer superconductor d'alta temperatura, un material superconductor a temperatures de fins a 50 kelvin. Es va observar que els superconductores d'alta temperatura són eixemples de materials fortament correlacionados en els que les interacciones electró-electró juguen un paper important.[32] Encara no es coneix una descripció teòrica satisfactòria dels superconductores d'alta temperatura i el camp de material fortament correlacionado seguix sent un tema d'investigació actiu.

En 2009, David Field i investigadors de l'Universitat de Aarhus varen descobrir camps elèctrics espontàneus en crear película prosaicasPlantilla:Clarificar de varis gasos. Açò s'ha ampliat més recentment per a formar l'àrea d'investigació de l'espontelectricidad.[33]

En 2012, varis grups varen publicar preprints que sugerixen que Hexaboruro de samari té les propietats d'un aïllant topològic[34] d'acort en les prediccions teòriques anteriors.[35] Ya que el hexaboruro de samari és un aïllant Kondo establit, és dir, un material d'electrons fortament correlacionados, s'espera que l'existència d'un estat topològic de superfície de Dirac en este material conduïxca a un aïllant topològic en fortes correlació electròniques.


Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 “Richard Feynman i l'història de la superconductividad” (2000). Physics in Perspective 2 (1): 30. doi:10.1007/s000160050035. Bibcode: 2000PhP.....2...30G.
  2. ↑ (1839) The collected works of Sir Humphry Davy: Vol. II, Smith Elder & Co., Cornhill, p. 22.
  3. ↑ Silvera, Isaac F. (2010). “Hidrogen metàlic: The Most Powerful Rocket Fuel Yet to Exist”. Journal of Physics 215 (1): 012194. doi:10.1088/1742-6596/215/1/012194. Bibcode: a2194S 2010JPhCS.215 a2194S.
  4. ↑ Rowlinson, J. S. (1969). “Thomas Andrews i el punt crític”. Nature 224 (8): 541-543. doi:10.1038/224541a0. Bibcode: ..541R 1969Natur.224 ..541R.
  5. ↑ (2009) Elements of Physical Chemistry, Oxford University Press. ISBN 978-1-4292-1813-9.
  6. ↑ 6,0 6,1 Cohen, Marvin L. (2008). “Essay: Fifty Years of Condensed Matter Physics”. Physical Review Letters 101 (25). doi:10.1103/PhysRevLett.101.250001. PMID 19113681. Bibcode: 2008PhRvL.101i0001C.
  7. ↑ Kittel, Charles (1996). Introducció a la Física de l'Estat Sòlit, John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-11181-8.
  8. ↑ Lillian Hoddeson (1992). Out of the Crystal Maze: Chapters from The History of Solid State Physics, Oxford University Press, p. 29. ISBN 978-0-19-505329-6.
  9. ↑ 9,0 9,1 Kragh, Helge. Quàntum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century, Reprint edició, Princeton University Press. ISBN 978-0-691-09552-3.
  10. ↑ van Delft, Dirk. “El descobriment de la superconductividad”. Physics Today 63 (9): 38-43. doi:10.1063/1.3490499. Bibcode: 2010PhT....63i..38V.
  11. ↑ Slichter, Charles. «Introducció a l'història de la superconductividad». American Institute of Physics.
  12. ↑ Schmalian, Joerg (2010). “Teories fallanques de la superconductividad”. Modern Physics Letters B 24 (27): 2679-2691. doi:10.1142/S0217984910025280. Bibcode: ..24.2679S 2010MPLB. ..24.2679S.
  13. ↑ Aroyo, Mois, I. (2006). Introducció històrica (vol. A), pp. 2-5. doi:10.1107/97809553602060000537. ISBN 978-1-4020-2355-2.
  14. ↑ Hall, Edwin (1879). “On a New Action of the Magnet on Electric Currents”. American Journal of Mathematics 2 (3): 287-92. doi:10.2307/2369245.
  15. ↑ (1977) Mecànica quàntica: Nonrelativistic Theory, Pergamon Press. ISBN 978-0-7506-3539-4.
  16. ↑ Lindley, David. “Focus: Landmarks-Accidental Discovery Leads to Calibration Standard”. Physics 8. doi:10.1103/Physics.8.46.
  17. ↑ 17,0 17,1 17,2 17,3 Mattis, Daniel (2006). The Theory of Magnetism Made Simple, World Scientific. ISBN 978-981-238-671-7.
  18. ↑ Chatterjee, Sabyasachi. “Heisenberg i el ferromagnetisme”. Resonance 9 (8): 57-66. doi:10.1007/BF02837578.
  19. ↑ Visintin, Augusto (1994). Models diferencials de histéresis, Springer. ISBN 978-3-540-54793-8.
  20. ↑ “Física colaborativa: la teoria de cordes troba un companyer de banc” (2011). Nature 478 (7369): 302-304. doi:10.1038/478302a. PMID 22012369. Bibcode: ..302M 2011Natur.478 ..302M.
  21. ↑ 21,0 21,1 Coleman, Piers (2003). “Física de molts cossos: Unfinished Revolution”. Annales Henri Poincaré 4 (2): 559-580. doi:10.1007/s00023-003-0943-9. Bibcode: 559C 2003AnHP....4.. 559C.
  22. ↑ Kadanoff, Leo, P. (2009). Fases de la matèria i transicions de fase; de la teoria del camp mig als fenomens crítics, L'Universitat de Chicago.
  23. ↑ 23,0 23,1 von Klitzing, Klaus. «L'efecte Hall quantificat».
  24. ↑ 24,0 24,1 Fisher, Michael E. (1998). “Teoria de grups de renormalización: la seua base i formulació en la física estadística”. Reviews of Modern Physics 70 (2): 653-681. doi:10.1103/RevModPhys.70.653. Bibcode: 1998RvMP...70..653F.
  25. ↑ Avron, Joseph E. (2003). “Una mirada topològica a l'efecte Hall quàntic”. Physics Today 56 (8): 38-42. doi:10.1063/1.1611351. Bibcode: 38A 2003PhT....56h.. 38A.
  26. ↑ David J Thouless. Topological Quàntum Numbers in Nonrelativistic Physics, World Scientific. ISBN 978-981-4498-03-6.
  27. ↑ Wen, Xiao-Gang (1992). “Teoria dels estats de vora en els efectes Hall quàntics fraccionarios”. International Journal of Modern Physics C 6 (10): 1711-1762. doi:10.1142/S0217979292000840. Bibcode: 1992IJMPB...6.1711W.
  28. ↑ Física moderna de la matèria condensada (en en), Cambridge University Press. ISBN 978-1-108-57347-4. Modern Condensed Matter Physics en Google Libros
  29. ↑ “Conductància Hall quantificada en un potencial periòdic bidimensional” . Physical Review Letters 49 (6): 405-408. doi:10.1103/PhysRevLett.49.405. Bibcode: 1982PhRvL..49..405T.
  30. ↑ “Manca un titulo pro le referentia. Per favor, specifica le parametro title. {{{title}}}” . Physical Review Letters (22). doi:10.1103/PhysRevLett.95.226801. PMID 16384250. Bibcode: 2005PhRvL..95v6801K.
  31. ↑ “Colloquium: Topological insulators” . Reviews of Modern Physics 82 (4): 3045–3067. doi:10.1103/RevModPhys.82.3045. Bibcode: 2010RvMP...82.3045H.
  32. ↑ Quintanilla, Jorge. “pdf The strong-correlations puzle”. Physics World 22 (6): 32. doi:10.1088/2058-7058/22/06/38. Bibcode: 2009PhyW...22f..32Q.
  33. ↑ Field, David. “Campos elèctrics espontàneus en películes sòlides: espontelectricidad”. Int.Rev.Phys.Chem. 32 (3): 345–392. doi:10.1080/0144235X.2013.767109.
  34. ↑ Eugenie Samuel Reich (2012). “Superfície d'esperança per a un aïllant exòtic”. Nature 492 (7428): 165. doi:10.1038/492165a. PMID 23235853. Bibcode: ..165S 2012Natur.492 ..165S.
  35. ↑ Dzero, V. (2010). “Aïllants topològics de Kondo”. Physical Review Letters 104 (10): 106408. doi:10.1103/PhysRevLett.104.106408. PMID 20366446. Bibcode: j6408D 2010PhRvL.104 j6408D.
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Física_de_la_matèria_condensada&oldid=805931»