Vés al contingut

Física de la matèria condensada

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
Cel hexagonal del niobat de liti

La física de la matèria condensada és el camp de la física que s'ocupa de les característiques físiques macroscòpiques de la matèria. En particular, es refereix a les fases "condensades" que apareixen sempre que el nombre de constituents en un sistema sigui extremadament gran i que les interaccions entre els components siguin fortes. Els exemples més familiars de fases condensades són els sòlids i els líquids, que sorgeixen a partir dels enllaços i unions causats per interaccions electromagnètiques entre els àtoms. Entre les fases condensades més exòtiques, es compten les fases superfluïtat i el condensat de Bose-Einstein, que es troben en certs sistemes atòmics sotmesos a temperatures extremadament baixes, la fase superconductora exhibida pels electrons de la conducció en certs materials, i les fases ferromagnètica i antiferromagnètica d'espins en xarxes atòmiques.

La física de la matèria condensada és, de lluny, el camp més extens de la física contemporània. Un enorme progrés ha estat realitzat en la branca teòrica de la física de la matèria condensada. Per a una estimació, un terç de tots els físics americans s'identifiquen a si mateixos com a físics que treballen en temes de la matèria condensada. Històricament, aquest camp va néixer a partir de la física de l'estat sòlid, que ara és considerat com un dels seus subcamps principals. El terme física de la matèria condensada va ser encunyat, segons sembla, per Philip Anderson, quan va rebatejar el seu grup d'investigació -prèviament, teoria de l'estat sòlid- (1967). El 1978, la Divisió de Física de l'Estat Sòlid de l'American Physical Society va ser rebatejada com a Divisió de Física de Matèria Condensada. El camp d'estudi de la física de la matèria condensada té una gran superposició amb àrees d'estudi de la química, la ciència de materials, la nanotecnologia i l'enginyeria.

Una de les raons per què la física de matèria condensada rebi aquest nom és que molts dels conceptes i tècniques desenvolupats per estudiar sòlids s'apliquen també a sistemes fluids. Per exemple, els electrons de conducció en un conductor elèctric formen un tipus de líquid quàntic que té essencialment les mateixes característiques que un fluid conformat per àtoms. De fet, el fenomen de la superconductivitat, en el qual els electrons es condensen en una nova fase fluida en la qual puguin fluir sense dissipació, presenta una gran analogia amb la fase de superfluïtat que es troba en l'heli - 3 a molt baixes temperatures.

Temes de física de matèria condensada

[modifica]
  • Nanotecnologia:
    • Sistemes de nanoelectromecànics (NEMS)
    • Microscòpia de força de ressonància magnètica
    • Transport de la calor en sistemes nanoscòpics
    • Transport d'espín

Història de la física de la matèria condensada

[modifica]

Física clàssica

[modifica]
Heike Kamerlingh Onnes i Johannes van der Waals amb el'heli licuefactor a Leiden en 1908

Un dels primers estudis sobre els estats condensats de la matèria va ser realitzat pel químic anglès Humphry Davy, en les primeres dècades del segle xix Davy va observar que dels quaranta elements químics coneguts en aquest moment, vint-i-sis tenien propietats metàl·liques com ara llustre, ductilitat i alta conductivitat elèctrica i tèrmica.[1] Això indicava que els àtoms de la teoria atòmica de John Dalton no eren indivisibles com afirmava Dalton, sinó que tenien estructura interna. Davy va afirmar a més que els elements que llavors es creia que eren gasos, com el nitrogen i l'hidrogen, podien liquar-se en les condicions adequades i llavors es comportarien com a metalls.[2] Tant l'hidrogen com el nitrogen s'han liquat des de llavors; no obstant això, el nitrogen i l'hidrogen líquids ordinaris no posseeixen propietats metàl·liques. Els físics Eugene Wigner i Hillard Bell Huntington van predir en 1935[3] que existeix un estat hidrogen metàl·lic a pressions prou altes (més de 25 GPa), però encara no s'ha observat).

En 1823, Michael Faraday, llavors assistent en el laboratori de Davy, va liquar amb èxit el clor i va passar a liquar tots els elements gasosos coneguts, excepte el nitrogen, l'hidrogen i l'oxigen.[1] Poc després, en 1869, el químic irlandès va estudiar la transició de fase d'un líquid a un gas i va encunyar el terme punt crític per a descriure la condició en la qual un gas i un líquid eren indistingibles com a fases,[4] i el físic holandès va aportar el marc teòric que va permetre predir el comportament crític basant-se en mesuraments a temperatures molt més altes.[5]:35-38 Cap a 1908, James Dewar i Heike Kamerlingh Onnes van aconseguir liquar amb èxit l'hidrogen i després l'acabat de descobrir heli, respectivament.[1]

Paul Drude en 1900 va proposar el primer model teòric per a un clàssica electró movent-se a través d'un sòlid metàl·lic.[6] El model de Drude descrivia les propietats dels metalls en termes d'un gas d'electrons lliures, i va ser el primer model microscòpic que explicava observacions empíriques com la llei de Wiedemann-Franz.[7][8] No obstant això, malgrat l'èxit del model d'electrons lliures de Drude, tenia un problema notable: era incapaç d'explicar correctament la contribució electrònica a la calor específica i a les propietats magnètiques dels metalls, i la dependència de la temperatura de la resistivitat a baixes temperatures.[9]

En 1911, tres anys després que es liqüés l'heli per primera vegada, Onnes, que treballava en la Universitat de Leiden, va descobrir la superconductivitat en el mercuri, quan va observar que la resistivitat elèctrica del mercuri desapareixia a temperatures inferiors a un determinat valor.[10] El fenomen va sorprendre per complet als millors físics teòrics de l'època, i va romandre sense explicació durant diverses dècades.[11] Albert Einstein, en 1922, va dir respecte a les teories contemporànies de la superconductivitat que "amb la nostra profunda ignorància de la mecànica quàntica dels sistemes composts estem molt lluny de poder compondre una teoria a partir d'aquestes vagues idees".[12]

Avanç de la mecànica quàntica

[modifica]

El model clàssic de Drude va ser augmentat per Wolfgang Pauli, Arnold Sommerfeld, Felix Bloch i altres físics. Pauli es va adonar que els electrons lliures en el metall havien d'obeir l'estadística de Fermi-Dirac. Utilitzant aquesta idea, va desenvolupar la teoria del paramagnetisme en 1926. Poc després, Sommerfeld va incorporar l'estadística de Fermi-Dirac al model dels electrons lliures i el va millorar per a explicar la capacitat calorífica. Dos anys més tard, Bloch va utilitzar la mecànica quàntica per a descriure el moviment d'un electró en una xarxa periòdica.[9]:366-368 La matemàtica de les estructures cristal·lines desenvolupada per Auguste Bravais, Ievgraf Fiódorov i altres es va utilitzar per a classificar els cristalls pel seu grup de simetria, i les taules d'estructures cristal·lines van ser la base de la sèrie Taules Internacionals de Cristal·lografia, publicada per primera vegada en 1935.[13] El Càlcul de l'estructura de bandes es va utilitzar per primera vegada en 1930 per a predir les propietats de nous materials, i en 1947 John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley van desenvolupar el primer transistor basat en semiconductors, la qual cosa va suposar una revolució en l'electrònica.[6]

Rèplica del primer transistor de contacte puntual a Bell labs.

En 1879, Edwin Herbert Hall treballant en la Universitat Johns Hopkins va descobrir un voltatge desenvolupat a través de conductors transversals a un corrent elèctric en el conductor i un camp magnètic perpendicular al corrent.[14] Aquest fenomen que sorgeix a causa de la naturalesa dels portadors de càrrega en el conductor va arribar a denominar-se efecte Hall, però no es va explicar adequadament en el seu moment, ja que l'electró no es va descobrir experimentalment fins 18 anys després. Després de l'arribada de la mecànica quàntica, Lev Landau va desenvolupar en 1930 la teoria de la quantificació de Landau i va establir les bases per a l'explicació teòrica de l'efecte Hall quàntic descobert mig segle després.[15]:458–460[16]

El magnetisme com a propietat de la matèria es coneix a la Xina des de l'any 4000 aC.[17]:1-2 No obstant això, els primers estudis moderns sobre el magnetisme no es van iniciar fins al desenvolupament de l'electrodinàmica per part de Faraday, Maxwell i altres en el segle xix, que incloïa la classificació dels materials en ferromagnètics, paramagnètics i diamagnètics en funció de la seva resposta a la magnetització.[18] Pierre Curie va estudiar la dependència de la magnetització amb la temperatura i va descobrir la transició de fase punt Curie en els materials ferromagnètics.[17] En 1906, Pierre Weiss va introduir el concepte de domini magnètic per a explicar les principals propietats dels ferromagnetos.[19]:9 El primer intent de descripció microscòpica del magnetisme va ser realitzat per Wilhelm Lenz i Ernst Ising a través del model de Ising que descrivia els materials magnètics com si consistissin en una xarxa periòdica d'espins que adquirien col·lectivament magnetització.[17] El model de Ising va ser resolt amb exactitud per a demostrar que la magnetització espontània no pot produir-se en una dimensió, però és possible en xarxes de dimensions superiors. Recerques posteriors com les de Bloch sobre ones d'espín i Néel sobre antiferromagnetisme van portar a desenvolupar nous materials magnètics amb aplicacions a dispositius d'emmagatzematge magnètic.[17]:36-38,g48

Física moderna de molts cossos

[modifica]
Un imant levitant sobre un material superconductor.
Un imant levitant sobre un superconductor d'alta temperatura. Avui dia, alguns físics estan treballant per a entendre la superconductivitat d'alta temperatura utilitzant la correspondència AdS/CFT.[20]

El model de Sommerfeld i els models d'espín per al ferromagnetisme van il·lustrar l'aplicació reeixida de la mecànica quàntica als problemes de la matèria condensada en la dècada de 1930. No obstant això, encara quedaven diversos problemes sense resoldre, sobretot la descripció de la superconductivitat i l'efecte Kondo.[21] Després de la Segona Guerra Mundial, es van aplicar diverses idees de la teoria quàntica de camps a problemes de matèria condensada. Entre elles, el reconeixement dels modes d'excitació col·lectiva dels sòlids i la important noció de quasipartícula. El físic rus Lev Landau va utilitzar la idea per a la teoria del líquid de Fermi, en la qual les propietats de baixa energia dels sistemes de fermions que interactuen es donaven en termes del que ara es denomina quasipartícules de Landau.[21] Landau també va desenvolupar una teoria de camp mitjà per a les transicions de fase contínues, que descrivia les fases ordenades com ruptura espontània de la simetria. La teoria també va introduir la noció d'un paràmetre d'ordre per a distingir entre fases ordenades.[22] Finalment, en 1956, John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer van desenvolupar l'anomenada teoria BCS de la superconductivitat, basada en el descobriment que una atracció arbitràriament petita entre dos electrons d'espín oposat mitjançant fonons en la xarxa pot donar lloc a un estat lligat anomenat parell de Cooper.

L'efecte Hall quàntic: Components de la resistivitat Hall en funció del camp magnètic extern[23]:fig. 14

L'estudi de les transicions de fase i el comportament crític dels observables, denominats fenòmens crítics, va ser un important camp d'interès en la dècada de 1960.[24] Leo Kadanoff, Benjamin Widom i Michael Fisher van desenvolupar les idees de l'exponent crític i de l'escalament de widom. Aquestes idees van ser unificades per Kenneth G. Wilson en 1972, sota el formalisme del grup de renormalització 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 van observar que la conductància Hall era múltiple sencer d'una constant fonamental . (vegeu figura) Es va observar que l'efecte era independent de paràmetres com la grandària del sistema i les impureses.[23] En 1981, el teòric Robert Laughlin va proposar una teoria que explicava la precisió no prevista de l'altiplà integral. També va implicar que la conductància de Hall és proporcional a un invariant topològic, anomenat número de Chern, la rellevància del qual per a l'estructura de bandes dels sòlids va ser formulada per David J. Thouless i col·laboradors.[25][26] Poc després, en 1982, Horst Störmer i Daniel Tsui van observar l'efecte Hall quàntic fraccionari on la conductància era ara un múltiple racional de la constant . Laughlin, en 1983, es va adonar que això era una conseqüència de la interacció de quasipartícules en els estats Hall i va formular una solució per mètode variacional, denominada funció d'ona de Laughlin.[27] L'estudi de les propietats topològiques de l'efecte Hall fraccionari continua sent un camp de recerca actiu.[28] Dècades més tard, l'esmentada teoria de bandes topològiques avançada per David J. Thouless i col·laboradors[29] es va ampliar encara més portant al descobriment dels aïllants topològics.[30][31]

En 1986, Karl Müller i Karl Alexander Müller van descobrir el primer superconductor d'alta temperatura, un material superconductor a temperatures de fins a 50 kelvin. Es va observar que els superconductors d'alta temperatura són exemples de materials fortament correlacionats en els quals les interaccions electró-electró juguen un paper important.[32] Encara no es coneix una descripció teòrica satisfactòria dels superconductors d'alta temperatura i el camp de material fortament correlacionat continua sent un tema de recerca actiu.

En 2009, David Field i investigadors de la Universitat d'Aarhus van descobrir camps elèctrics espontanis en crear pel·lícules prosaiques de diversos gasos. Això s'ha ampliat més recentment per a formar l'àrea de recerca de l'espontelectricitat.[33]

En 2012, diversos grups van publicar preimpressions que suggereixen que l'hexaborur de samari té les propietats d'un aïllant topològic[34] d'acord amb les prediccions teòriques anteriors.[35] Atès que el hexaborur de samari és un aïllant Kondo establert, és a dir, un material d'electrons fortament correlacionats, s'espera que l'existència d'un estat topològic de superfície de Dirac en aquest material condueixi a un aïllant topològic amb fortes correlacions electròniques.

Referències

[modifica]
  1. 1 2 3 Goodstein, David; Goodstein, Judith «Richard Feynman i la història de la superconductivitat». Physics in Perspective, vol. 2, 1, 2000, p. 30. Bibcode: 2000PhP.....2...30G. DOI: 10.1007/s000160050035.
  2. ↑ The collected works of Sir Humphry Davy: Vol. II. Smith Elder & Co., Cornhill, 1839, p. 22.
  3. ↑ Silvera, Isaac F. «Hidrogen metàl·lic: The Most Powerful Rocket Fuel Yet to Exist». Journal of Physics, vol. 215, 1, 2010, p. 012194. Bibcode: a2194S 2010JPhCS.215 a2194S. DOI: 10.1088/1742-6596/215/1/012194.
  4. ↑ Rowlinson, J. S. «Thomas Andrews i el punt crític». Nature, vol. 224, 8, 1969, p. 541-543. Bibcode: ..541R 1969Natur.224 ..541R. DOI: 10.1038/224541a0.
  5. ↑ Atkins, Peter; de Paula, Julio. Elements of Physical Chemistry. Oxford University Press, 2009. ISBN 978-1-4292-1813-9.
  6. 1 2 Cohen, Marvin L. «Essay: Fifty Years of Condensed Matter Physics». Physical Review Letters, vol. 101, 25, 2008, p. 250001. Bibcode: 2008PhRvL.101y0001C. DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.250001. PMID: 19113681.
  7. ↑ Kittel, Charles. Introducció a la Física de l'Estat Sòlid. John Wiley & Sons, 1996. ISBN 978-0-471-11181-8.
  8. ↑ Lillian Hoddeson. Out of the Crystal Maze: Chapters from The History of Solid State Physics. Oxford University Press, 1992. ISBN 978-0-19-505329-6.
  9. 1 2 Kragh, Helge. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Reprint. Princeton University Press, 2002. ISBN 978-0-691-09552-3.
  10. ↑ van Delft, Dirk «El descobriment de la superconductivitat». Physics Today, vol. 63, 9, 9-2010, p. 38-43. Bibcode: 2010PhT....63i..38V. DOI: 10.1063/1.3490499.
  11. ↑ Slichter, Charles. «Introducció a la història de la superconductivitat». Moments de descobriment. American Institute of Physics. Arxivat de l'original el 15 de maig de 2012. [Consulta: 13 juny 2012].
  12. ↑ Schmalian, Joerg «Teories fallides de la superconductivitat». Modern Physics Letters B, vol. 24, 27, 2010, p. 2679-2691. arXiv: 1008.0447. Bibcode: ..24.2679S 2010MPLB. ..24.2679S. DOI: 10.1142/S0217984910025280.
  13. ↑ Aroyo, Mois, I.. Introducció històrica. A, 2006, p. 2-5 (Taules Internacionals de Cristal·lografia). DOI 10.1107/97809553602060000537. ISBN 978-1-4020-2355-2.
  14. ↑ Hall, Edwin «On a New Action of the Magnet on Electric Currents». American Journal of Mathematics, vol. 2, 3, 1879, p. 287-92. DOI: 10.2307/2369245. JSTOR: 2369245.
  15. ↑ Landau, L. D.; Lifshitz, E. M.. . Pergamon Press, 1977. ISBN 978-0-7506-3539-4.
  16. ↑ Lindley, David «Focus: Landmarks-Accidental Discovery Leads to Calibration Standard». Physics, vol. 8, 15-05-2015. DOI: 10.1103/Physics.8.46.
  17. 1 2 3 4 Mattis, Daniel. The Theory of Magnetism Made Simple. World Scientific, 2006. ISBN 978-981-238-671-7.
  18. ↑ Chatterjee, Sabyasachi «Heisenberg i el ferromagnetisme». Resonance, vol. 9, 8, 8-2004, p. 57-66. DOI: 10.1007/BF02837578.
  19. ↑ Visintin, Augusto. Models diferencials d'histèresi. Springer, 1994. ISBN 978-3-540-54793-8.
  20. ↑ Merali, Zeeya «Física col·laborativa: la teoria de cordes troba un company de banc». Nature, vol. 478, 7369, 2011, p. 302-304. Bibcode: ..302M 2011Natur.478 ..302M. DOI: 10.1038/478302a. PMID: 22012369.
  21. 1 2 Coleman, Piers «Física de molts cossos: Unfinished Revolution». Annales Henri Poincaré, vol. 4, 2, 2003, p. 559-580. arXiv: cond-mat/0307004. Bibcode: 559C 2003AnHP....4.. 559C. DOI: 10.1007/s00023-003-0943-9.
  22. ↑ Kadanoff, Leo, P.. Fases de la matèria i transicions de fase; de la teoria del camp mitjà als fenòmens crítics. La Universitat de Chicago, 2009. Arxivat 2015-12-31 a Wayback Machine.
  23. 1 2 von Klitzing, Klaus. «L'efecte Hall quantificat». Nobelprize.org, 9 dic 1985.
  24. 1 2 Fisher, Michael E. «Teoria de grups de renormalització: la seva base i formulació a la física estadística». Reviews of Modern Physics, vol. 70, 2, 1998, p. 653-681. Bibcode: 1998RvMP...70..653F. DOI: 10.1103/RevModPhys.70.653.
  25. ↑ Avron, Joseph E. «Una mirada topològica a aquest efecte Hall quàntic». Physics Today, vol. 56, 8, 2003, p. 38-42. Bibcode: 38A 2003PhT....56h.. 38A. DOI: 10.1063/1.1611351.
  26. ↑ David J Thouless. Topological Quantum Numbers in Nonrelativistic Physics. World Scientific, 12 de marçde 1998. ISBN 978-981-4498-03-6.
  27. ↑ Wen, Xiao-Gang «Teoria dels estats de vora als efectes Hall quàntics fraccionaris». International Journal of Modern Physics C, vol. 6, 10, 1992, p. 1711-1762. Bibcode: 1992IJMPB...6.1711W. DOI: 10.1142/S0217979292000840. Arxivat 2005-05-22 a Wayback Machine.
  28. ↑ Girvin, Steven M.; Yang, Kun. Física moderna de la matèria condensada (en anglès). Cambridge University Press, 2019-02-28. ISBN 978-1-108-57347-4. Modern Condensed Matter Physics a Google Books
  29. ↑ Thouless, D. J.; Kohmoto, M.; Nightingale, M. P.; den Nijs, M. «Conductància Hall quantificada en un potencial periòdic bidimensional». Physical Review Letters, vol. 49, 6, 09-08-1982, p. 405-408. Bibcode: 1982PhRvL..49..405T. DOI: 10.1103/PhysRevLett.49.405.
  30. ↑ Kane, C. L.; Mele, E. J. Physical Review Letters, 22. arXiv: cond-mat/0411737. Bibcode: 2005PhRvL..95v6801K. DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.226801. PMID: 16384250.
  31. ↑ Hasan, M. Z.; Kane, C. L. «Colloquium: Topological insulators». Reviews of Modern Physics, vol. 82, 4, 08-11-2010, p. 3045–3067. arXiv: 1002.3895. Bibcode: 2010RvMP...82.3045H. DOI: 10.1103/RevModPhys.82.3045.
  32. ↑ Quintanilla, Jorge «pdf The strong-correlations puzzle». Physics World, vol. 22, 6, 6-2009, p. 32. Bibcode: 2009PhyW...22f..32Q. DOI: 10.1088/2058-7058/22/06/38.
  33. ↑ Field, David «Camps elèctrics espontanis en pel·lícules sòlides: espontelectricitat». Int.Rev.Phys.Chem., vol. 32, 3, 12-03-2013, p. 345–392. DOI: 10.1080/0144235X.2013.767109.
  34. ↑ Eugenie Samuel Reich «Superfície d'esperança per a un aïllant exòtic». Nature, vol. 492, 7428, 2012, p. 165. Bibcode: ..165S 2012Natur.492 ..165S. DOI: 10.1038/492165a. PMID: 23235853.
  35. ↑ Dzero, V. «Aïllants topològics de Kondo». Physical Review Letters, vol. 104, 10, 2010, p. 106408. arXiv: 0912.3750. Bibcode: j6408D 2010PhRvL.104 j6408D. DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.106408. PMID: 20366446.

Vegeu també

[modifica]
A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Física de la matèria condensada
Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Física_de_la_matèria_condensada&oldid=38309071»