Физика конденсированного состояния

Физика конденсированного состояния — это область физики , которая занимается макроскопическими и микроскопическими физическими свойствами материи , особенно твердой и жидкой фаз , которые возникают в результате электромагнитных сил между атомами и электронами . В более общем плане речь идет о конденсированных фазах материи: системах многих компонентов с сильными взаимодействиями между ними. Более экзотические конденсированные фазы включают сверхпроводящую фазу, проявляемую некоторыми материалами при чрезвычайно низких криогенных температурах , ферромагнитные и антиферромагнитные фазы спинов на кристаллических решетках атомов, конденсаты Бозе-Эйнштейна, обнаруженные в ультрахолодных атомных системах, и жидкие кристаллы . Физики конденсированного состояния стремятся понять поведение этих фаз с помощью экспериментов по измерению различных свойств материалов и применения физических законов квантовой механики , электромагнетизма , статистической механики и других физических теорий для разработки математических моделей и предсказания свойств чрезвычайно больших групп. атомов.

Разнообразие систем и явлений, доступных для изучения, делает физику конденсированного состояния наиболее активной областью современной физики: треть всех американских физиков идентифицируют себя как физики конденсированного состояния, а Отдел физики конденсированного состояния — крупнейшее подразделение Американского физического общества . К ним относятся физики твердого тела и мягкой материи , которые изучают квантовые и неквантовые физические свойства материи соответственно. Оба типа изучают широкий спектр материалов, предоставляя множество возможностей для исследований, финансирования и трудоустройства. Эта область пересекается с химией , материаловедением , инженерией и нанотехнологиями и тесно связана с атомной физикой и биофизикой . Теоретическая физика конденсированного состояния разделяет важные концепции и методы с физикой элементарных частиц и ядерной физикой .

Различные темы физики, такие как кристаллография , металлургия , упругость , магнетизм и т. д., рассматривались как отдельные области до 1940-х годов, когда они были сгруппированы вместе как физика твердого тела . изучение физических свойств жидкостей , сформировав основу для более обширной специальности — физики конденсированного состояния. Примерно в 1960-е годы к этому списку добавилось Bell Telephone Laboratories была одним из первых институтов, проводивших исследовательскую программу в области физики конденсированного состояния. По словам директора-основателя Института исследований твердого тела Макса Планка , профессора физики Мануэля Кардоны, именно Альберт Эйнштейн создал современную область физики конденсированного состояния, начиная с его основополагающей статьи 1905 года о фотоэлектрическом эффекте и фотолюминесценции , которая открыла области физики конденсированного состояния. фотоэлектронная спектроскопия и фотолюминесцентная спектроскопия , а позже его статья 1907 года о теплоемкости твердых тел , в которой впервые было показано влияние колебаний решетки на термодинамические свойства кристаллов, в частности на теплоемкость . Заместитель директора Йельского квантового института А. Дуглас Стоун приводит аналогичные аргументы в пользу Эйнштейна в своей работе по синтетической истории квантовой механики .

Этимология

По словам физика Филипа Уоррена Андерсона , использование термина «конденсированное вещество» для обозначения области исследований было придумано им и Фолькером Гейне , когда они изменили название своей группы в Кавендишских лабораториях в Кембридже с «Теории твердого тела» на «Теория твердого тела». Теория конденсированного состояния материи в 1967 г., поскольку они чувствовали, что это лучше включало их интерес к жидкостям, ядерной материи и так далее. Хотя Андерсон и Гейне помогли популяризировать название «конденсированное вещество», оно использовалось в Европе в течение нескольких лет, наиболее заметно в Springer-Verlag журнале «Физика конденсированного вещества» , выпущенном в 1963 году. Название «физика конденсированного состояния» подчеркивало общность научных проблем, с которыми сталкиваются физики, работающие над твердыми телами, жидкостями, плазмой и другими сложными веществами, тогда как «физика твердого тела» часто ассоциировалась с ограниченным промышленным применением металлов и полупроводников. В 1960-х и 70-х годах некоторые физики считали, что более полное название лучше соответствует условиям финансирования и политике холодной войны того времени.

Ссылки на «конденсированные» состояния можно найти в более ранних источниках. Например, во введении к своей книге 1947 года «Кинетическая теория жидкостей » Яков Френкель предположил, что «Кинетическая теория жидкостей должна соответственно развиваться как обобщение и расширение кинетической теории твердых тел. Собственно говоря, правильнее было бы объединить их под названием «конденсированные тела » » .

История

Дополнительная информация: Хронология физики конденсированного состояния.

Классическая физика

Хайке Камерлинг-Оннес и Йоханнес ван дер Ваальс с гелиевым разжижителем в Лейдене в 1908 году.

Одно из первых исследований конденсированных состояний вещества было проведено английским химиком Гемфри Дэви в первые десятилетия девятнадцатого века. Дэви заметил, что из сорока известных в то время химических элементов двадцать шесть обладали металлическими свойствами, такими как блеск , пластичность и высокая электро- и теплопроводность. Это указывало на то, что атомы в Джона Дальтона не атомной теории были неделимыми, как утверждал Дальтон, а имели внутреннюю структуру. Дэви далее утверждал, что элементы, которые тогда считались газами, такие как азот и водород, могут быть сжижены при правильных условиях и затем вести себя как металлы.

В 1823 году Майкл Фарадей , тогда ассистент в лаборатории Дэви, успешно сжижал хлор и приступил к сжижению всех известных газообразных элементов, за исключением азота, водорода и кислорода . Вскоре после этого, в 1869 году, ирландский химик Томас Эндрюс изучил фазовый переход из жидкости в газ и ввёл термин «критическая точка» для описания состояния, при котором газ и жидкость неотличимы как фазы. а голландский физик Йоханнес ван дер Ваальс предоставил теоретическую основу, которая позволила предсказать критическое поведение на основе измерений при гораздо более высоких температурах. К 1908 году Джеймс Дьюар и Хайке Камерлинг-Оннес успешно смогли сжижать водород, а затем недавно открытый гелий соответственно.

Пол Друде в 1900 году предложил первую теоретическую модель классического электрона, движущегося через металлическое твердое тело. Модель Друде описывала свойства металлов с точки зрения газа свободных электронов и была первой микроскопической моделью, объясняющей эмпирические наблюдения, такие как закон Видемана-Франца . Однако, несмотря на успех модели Друде , у нее была одна заметная проблема: она не могла правильно объяснить электронный вклад в теплоемкость и магнитные свойства металлов, а также температурную зависимость удельного сопротивления при низких температурах.

был впервые сжижен, Оннес, работавший в Лейденском университете, обнаружил сверхпроводимость ртути В 1911 году, через три года после того, как гелий , когда он заметил, что удельное электрическое сопротивление ртути исчезает при температурах ниже определенного значения. Явление совершенно удивило лучших физиков-теоретиков того времени и оставалось необъяснимым в течение нескольких десятилетий. Альберт Эйнштейн в 1922 году сказал относительно современных теорий сверхпроводимости, что «при нашем далеко идущем незнании квантовой механики сложных систем мы очень далеки от возможности составить теорию из этих смутных идей».

Появление квантовой механики

Классическая модель Друде была дополнена Вольфгангом Паули , Арнольдом Зоммерфельдом , Феликсом Блохом и другими физиками. Паули понял, что свободные электроны в металле должны подчиняться статистике Ферми – Дирака . Используя эту идею, он разработал теорию парамагнетизма в 1926 году. Вскоре после этого Зоммерфельд включил статистику Ферми – Дирака в модель свободных электронов и помог лучше объяснить теплоемкость. Два года спустя Блох использовал квантовую механику для описания движения электрона в периодической решетке. Математика кристаллических структур, разработанная Огюстом Браве , Евграфом Федоровым и другими, использовалась для классификации кристаллов по группам симметрии , а таблицы кристаллических структур легли в основу серии «Международные таблицы кристаллографии» , впервые опубликованной в 1935 году. Расчеты зонной структуры были впервые использованы в 1930 году для предсказания свойств новых материалов, а в 1947 году Бардин , Уолтер Браттейн и Уильям Шокли разработали первый полупроводниковый транзистор Джон , ознаменовав революцию в электронике.

Реплика первого точечного транзистора в лабораториях Bell.

В 1879 году Эдвин Герберт Холл, работавший в Университете Джонса Хопкинса, обнаружил напряжение, возникающее в проводниках поперек электрического тока в проводнике и магнитное поле, перпендикулярное току. Это явление, возникающее из-за природы носителей заряда в проводнике, получило название эффекта Холла , но в то время оно не было должным образом объяснено, поскольку электрон был экспериментально открыт лишь 18 лет спустя. После появления квантовой механики Лев Ландау в 1930 году разработал теорию квантования Ландау и заложил основы теоретического объяснения квантового эффекта Холла, открытого полвека спустя.

Магнетизм как свойство материи известен в Китае с 4000 г. до н.э. Однако первые современные исследования магнетизма начались только с развитием электродинамики Фарадеем, Максвеллом и другими в девятнадцатом веке, которая включала классификацию материалов на ферромагнетики , парамагнетики и диамагнетики на основе их реакции на намагничивание. Пьер Кюри изучил зависимость намагниченности от температуры и обнаружил фазовый переход точки Кюри в ферромагнетиках. В 1906 году Пьер Вейс ввел концепцию магнитных доменов для объяснения основных свойств ферромагнетиков. Первую попытку микроскопического описания магнетизма предприняли Вильгельм Ленц и Эрнст Изинг с помощью модели Изинга , которая описывала магнитные материалы как состоящие из периодической решетки спинов , которые коллективно приобретали намагниченность. Модель Изинга была решена именно для того, чтобы показать, что спонтанная намагниченность может возникать в одном измерении и возможна в решетках более высоких размерностей. Дальнейшие исследования, такие как Блох по спиновым волнам и Неель по антиферромагнетизму, привели к разработке новых магнитных материалов для применения в магнитных запоминающих устройствах.

Современная физика многих тел

Магнит , парящий над высокотемпературным сверхпроводником . Сегодня некоторые физики работают над пониманием высокотемпературной сверхпроводимости, используя соответствие AdS/CFT.

Модель Зоммерфельда и спиновые модели ферромагнетизма проиллюстрировали успешное применение квантовой механики к проблемам конденсированного состояния в 1930-х годах. Однако все еще оставалось несколько нерешенных проблем, в первую очередь описание сверхпроводимости и эффекта Кондо . После Второй мировой войны несколько идей квантовой теории поля были применены к проблемам конденсированного состояния. К ним относятся признание коллективных мод возбуждения твердых тел и важное понятие квазичастицы. Советский физик Лев Ландау использовал эту идею для теории ферми-жидкости , в которой низкоэнергетические свойства взаимодействующих фермионных систем выражались в терминах того, что сейчас называют квазичастицами Ландау. Ландау также разработал теорию среднего поля для непрерывных фазовых переходов, которая описывала упорядоченные фазы как спонтанное нарушение симметрии . В теории также введено понятие параметра порядка, позволяющего различать упорядоченные фазы. В конце концов, в 1956 году Джон Бардин , Леон Купер и Роберт Шриффер разработали так называемую БКШ теорию сверхпроводимости , основанную на открытии того, что сколь угодно малое притяжение между двумя электронами с противоположным спином, опосредованное фононами в решетке, может привести к возникновению связанного состояния, называемого пара Куперов .

Квантовый эффект Холла : компоненты удельного сопротивления Холла в зависимости от внешнего магнитного поля.

Изучение фазовых переходов и критического поведения наблюдаемых величин, называемых критическими явлениями , было основной областью интересов в 1960-х годах. Лео Каданофф , Бенджамин Видом и Майкл Фишер развили идеи критических показателей и масштабирования мудрости . Эти идеи были объединены Кеннетом Г. Уилсоном в 1972 году в рамках формализма ренормгруппы в контексте квантовой теории поля.

Квантовый эффект Холла был открыт Клаусом фон Клитцингом , Дордой и Пеппером в 1980 году, когда они заметили, что проводимость Холла оказывается целым кратным фундаментальной константы. $e^{2}/h$.(см. рисунок) Эффект оказался независимым от таких параметров, как размер системы и примеси. В 1981 году теоретик Роберт Лафлин предложил теорию, объясняющую неожиданную точность интегрального плато. Это также подразумевало, что проводимость Холла пропорциональна топологическому инварианту, называемому числом Черна , значение которого для зонной структуры твердых тел было сформулировано Дэвидом Дж. Таулессом и его сотрудниками. Вскоре после этого, в 1982 году, Хорст Штёрмер и Даниэль Цуй наблюдали дробный квантовый эффект Холла , при котором проводимость теперь стала рациональным кратным постоянной. $e^{2}/h$. Лафлин в 1983 году понял, что это является следствием взаимодействия квазичастиц в состояниях Холла, и сформулировал решение вариационного метода , названное волновой функцией Лафлина . Изучение топологических свойств дробного эффекта Холла остается активной областью исследований. Десятилетия спустя вышеупомянутая топологическая теория зон, выдвинутая Дэвидом Дж. Таулессом и его сотрудниками, получила дальнейшее развитие, что привело к открытию топологических изоляторов .

В 1986 году Карл Мюллер и Йоханнес Беднорц открыли первый высокотемпературный сверхпроводник La _2-x Ba _x CuO ₄ , который является сверхпроводящим при температурах до 39 Кельвинов . Стало понятно, что высокотемпературные сверхпроводники являются примером сильно коррелированных материалов, в которых электрон-электронные взаимодействия играют важную роль. Удовлетворительное теоретическое описание высокотемпературных сверхпроводников до сих пор не известно, и область сильно коррелированных материалов продолжает оставаться активной темой исследований.

В 2012 году несколько групп выпустили препринты, в которых предполагается, что гексаборид самария обладает свойствами топологического изолятора. в соответствии с более ранними теоретическими предсказаниями. Поскольку гексаборид самария является признанным кондо-изолятором , то есть сильно коррелированным электронным материалом, ожидается, что существование топологического поверхностного состояния Дирака в этом материале приведет к топологическому изолятору с сильными электронными корреляциями.

Теоретический

Теоретическая физика конденсированного состояния предполагает использование теоретических моделей для понимания свойств состояний вещества. К ним относятся модели для изучения электронных свойств твердых тел, такие как модель Друде , зонная структура и теория функционала плотности . также разработаны теоретические модели Для изучения физики фазовых переходов , такие как теория Гинзбурга-Ландау , критические показатели степени и использование математических методов квантовой теории поля и ренормгруппы . Современные теоретические исследования включают использование численного расчета электронной структуры и математических инструментов для понимания таких явлений, как высокотемпературная сверхпроводимость , топологические фазы и калибровочная симметрия .

Появление

Основная статья: Появление

Теоретическое понимание физики конденсированного состояния тесно связано с понятием возникновения , при котором сложные совокупности частиц ведут себя совершенно иначе, чем их отдельные составляющие. Например, плохо изучен ряд явлений, связанных с высокотемпературной сверхпроводимостью, хотя микроскопическая физика отдельных электронов и решеток хорошо известна. Аналогичным образом изучались модели систем конденсированного состояния, в которых коллективные возбуждения ведут себя как фотоны и электроны , тем самым описывая электромагнетизм как возникающее явление. Эмерджентные свойства также могут возникать на границе раздела материалов: одним из примеров является интерфейс алюминат лантана-титанат стронция , где два зонных изолятора соединяются для создания проводимости и сверхпроводимости .

Электронная теория твердого тела

Основная статья: Структура электронного диапазона

Металлическое состояние исторически было важным строительным блоком для изучения свойств твердых тел. Первое теоретическое описание металлов было дано Полом Друде в 1900 году с помощью модели Друде , которая объясняла электрические и тепловые свойства, описывая металл как идеальный газ из недавно обнаруженных электронов . Ему удалось вывести эмпирический закон Видемана-Франца и получить результаты, близко согласующиеся с экспериментами. Эта классическая модель была затем улучшена Арнольдом Зоммерфельдом , который включил статистику электронов Ферми – Дирака и смог объяснить аномальное поведение теплоемкости металлов в законе Видемана – Франца . В 1912 году структуру кристаллических твердых тел изучали Макс фон Лауэ и Пауль Книппинг, когда они наблюдали картину дифракции рентгеновских лучей кристаллов и пришли к выводу, что кристаллы получают свою структуру из периодических решеток атомов. В 1928 году швейцарский физик Феликс Блох предоставил решение волновой функции уравнения Шрёдингера с периодическим потенциалом, известное как теорема Блоха .

Расчет электронных свойств металлов путем решения волновой функции многих тел часто является вычислительно сложным, и, следовательно, для получения значимых прогнозов необходимы методы аппроксимации. Теория Томаса-Ферми , разработанная в 1920-х годах, использовалась для оценки энергии системы и электронной плотности путем рассмотрения локальной электронной плотности как вариационного параметра . Позже, в 1930-х годах, Дуглас Хартри , Владимир Фок и Джон Слейтер разработали так называемую волновую функцию Хартри-Фока как усовершенствованную модель Томаса-Ферми. Метод Хартри – Фока учитывал статистику обмена волновыми функциями одночастичных электронов. В общем, решить уравнение Хартри–Фока очень сложно. Только случай газа свободных электронов может быть решен точно. Наконец, в 1964–65 годах Вальтер Кон , Пьер Хоэнберг и Лу Джеу Шам предложили теорию функционала плотности (DFT), которая дала реалистичное описание объемных и поверхностных свойств металлов. Теория функционала плотности широко используется с 1970-х годов для расчета зонной структуры различных твердых тел.

Нарушение симметрии

Основная статья: Нарушение симметрии

В некоторых состояниях материи наблюдается нарушение симметрии , когда соответствующие законы физики обладают той или иной формой симметрии , которая нарушается. Типичным примером являются кристаллические твердые тела , которые нарушают непрерывную трансляционную симметрию . Другие примеры включают намагниченные ферромагнетики , которые нарушают вращательную симметрию , и более экзотические состояния, такие как основное состояние BCS сверхпроводника , которое нарушает U(1) . фазовую вращательную симметрию

Теорема Голдстоуна в квантовой теории поля утверждает, что в системе с нарушенной непрерывной симметрией могут существовать возбуждения со сколь угодно низкой энергией, называемые бозонами Голдстоуна . Например, в кристаллических твердых телах они соответствуют фононам , которые являются квантованными версиями колебаний решетки.

Фазовый переход

Основная статья: Фазовый переход

Фазовый переход относится к изменению фазы системы, которое вызвано изменением внешнего параметра, такого как температура , давление или молярный состав . В однокомпонентной системе классический фазовый переход происходит при температуре (при определенном давлении), при которой происходит резкое изменение порядка системы. Например, когда лед тает и превращается в воду, упорядоченная гексагональная кристаллическая структура льда модифицируется до подвижного расположения молекул воды с водородными связями.

При квантовых фазовых переходах температура устанавливается равной абсолютному нулю , а нетепловой параметр управления, такой как давление или магнитное поле, вызывает фазовые переходы, когда порядок разрушается квантовыми флуктуациями, возникающими из принципа неопределенности Гейзенберга . Здесь различные квантовые фазы системы относятся к различным основным состояниям матрицы Гамильтона . Понимание поведения квантового фазового перехода важно в сложных задачах объяснения свойств редкоземельных магнитных изоляторов, высокотемпературных сверхпроводников и других веществ.

Встречаются два класса фазовых переходов: переходы первого рода и переходы второго рода или непрерывные переходы . В последнем случае две участвующие фазы не сосуществуют при температуре перехода, также называемой критической точкой . Вблизи критической точки системы подвергаются критическому поведению, при котором некоторые из их свойств, такие как корреляционная длина , теплоемкость и магнитная восприимчивость , расходятся экспоненциально. Эти критические явления представляют собой серьезные проблемы для физиков, поскольку обычные макроскопические законы больше не действуют в регионе, и необходимо изобрести новые идеи и методы, чтобы найти новые законы, которые могут описать систему.

Простейшей теорией, способной описать непрерывные фазовые переходы, является теория Гинзбурга–Ландау , работающая в так называемом приближении среднего поля . Однако он может лишь грубо объяснить непрерывный фазовый переход для сегнетоэлектриков и сверхпроводников I типа, который включает в себя дальнодействующие микроскопические взаимодействия. Для других типов систем, которые включают короткодействующие взаимодействия вблизи критической точки, необходима более совершенная теория.

Вблизи критической точки флуктуации происходят в широком диапазоне масштабов, в то время как особенность всей системы является масштабно-инвариантной. Методы ренормгруппы последовательно поэтапно усредняют наиболее коротковолновые колебания, сохраняя их эффекты на следующем этапе. Таким образом, изменения физической системы, рассматриваемые в различных масштабах, могут быть исследованы систематически. Эти методы вместе с мощным компьютерным моделированием вносят большой вклад в объяснение критических явлений, связанных с непрерывным фазовым переходом.

Экспериментальный

Экспериментальная физика конденсированного состояния предполагает использование экспериментальных зондов для открытия новых свойств материалов. Такие зонды включают воздействие электрических и магнитных полей , измерение функций отклика , транспортных свойств и термометрию . Обычно используемые экспериментальные методы включают спектроскопию с такими датчиками, как рентгеновские лучи , инфракрасный свет и неупругое рассеяние нейтронов ; изучение теплового отклика, такого как удельная теплоемкость , и измерение переноса посредством теплопроводности и теплопроводности .

Изображение рентгенограммы белка кристалла

Рассеяние

Дополнительная информация: Рассеяние.

Некоторые эксперименты с конденсированной средой включают рассеяние экспериментального зонда, такого как рентгеновские лучи , оптические фотоны , нейтроны и т. д., на компонентах материала. Выбор рассеивающего зонда зависит от интересующего энергетического масштаба наблюдения. Видимый свет имеет энергию в размере 1 электрон-вольт (эВ) и используется в качестве датчика рассеяния для измерения изменений свойств материала, таких как диэлектрическая проницаемость и показатель преломления . Рентгеновские лучи имеют энергию порядка 10 кэВ и, следовательно, способны исследовать масштабы атомных длин и используются для измерения изменений плотности электронного заряда и кристаллической структуры.

Нейтроны также могут исследовать масштабы атомных длин и используются для изучения рассеяния на ядрах, спинов электронов и намагниченности (поскольку нейтроны имеют спин, но не имеют заряда). Измерения кулоновского и моттовского рассеяния можно проводить, используя электронные пучки в качестве зондов рассеяния. Точно так же аннигиляция позитрона может использоваться как косвенное измерение локальной плотности электронов. Лазерная спектроскопия — отличный инструмент для изучения микроскопических свойств среды, например, для изучения запрещенных переходов в средах с помощью нелинейной оптической спектроскопии .

Внешние магнитные поля

В экспериментальной физике конденсированного состояния внешние магнитные поля выступают в качестве термодинамических переменных , управляющих состоянием, фазовыми переходами и свойствами материальных систем. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — это метод, с помощью которого внешние магнитные поля используются для обнаружения резонансных режимов отдельных ядер, что дает информацию об атомной, молекулярной и связующей структуре их окружения. Эксперименты ЯМР можно проводить в магнитных полях напряженностью до 60 тесла . Более сильные магнитные поля могут улучшить качество данных измерений ЯМР. Квантовые колебания — еще один экспериментальный метод, в котором сильные магнитные поля используются для изучения свойств материала, таких как геометрия поверхности Ферми . Сильные магнитные поля будут полезны при экспериментальной проверке различных теоретических предсказаний, таких как квантованный магнитоэлектрический эффект , магнитный монополь изображения и полуцелый квантовый эффект Холла .

Магнитно-резонансная спектроскопия

Локальную структуру , а также структуру ближайших атомов-соседей можно исследовать в конденсированных средах методами магнитного резонанса, такими как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР), которые очень чувствительны к деталям окружение ядер и электронов посредством сверхтонкой связи. становятся как локализованные электроны, так и специфические стабильные или нестабильные изотопы ядер Зондом этих сверхтонких взаимодействий , которые связывают спин электрона или ядра с локальными электрическими и магнитными полями. Эти методы подходят для изучения дефектов, диффузии, фазовых переходов и магнитного порядка. Общие экспериментальные методы включают ЯМР , ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР), имплантированные радиоактивные зонды, как в случае мюонной спиновой спектроскопии ( $\mu$СИ), мессбауэровская спектроскопия , $\beta$ЯМР и возмущенная угловая корреляция (PAC). PAC особенно идеален для изучения фазовых изменений при экстремальных температурах выше 2000 °C благодаря температурной независимости метода.

Холодные атомные газы

Основная статья: Оптическая решетка

Первый конденсат Бозе-Эйнштейна , обнаруженный в газе ультрахолодных атомов рубидия . Синие и белые области представляют более высокую плотность.

Захват ультрахолодных атомов в оптических решетках — экспериментальный инструмент, широко используемый в физике конденсированного состояния, а также в атомной, молекулярной и оптической физике . Метод предполагает использование оптических лазеров для формирования интерференционной картины , которая действует как решетка , в которую можно помещать ионы или атомы при очень низких температурах. Холодные атомы в оптических решетках используются в качестве квантовых симуляторов , то есть действуют как управляемые системы, способные моделировать поведение более сложных систем, например, фрустрированных магнитов . В частности, они используются для создания одно-, двух- и трехмерных решеток для модели Хаббарда с заранее заданными параметрами, а также для изучения фазовых переходов при упорядочении антиферромагнитной жидкости и спиновой жидкости .

В 1995 году газ атомов рубидия , охлажденный до температуры 170 нК, был использован для экспериментальной реализации конденсата Бозе-Эйнштейна , нового состояния вещества, первоначально предсказанного С. Н. Бозе и Альбертом Эйнштейном , в котором большое количество атомов занимают один квант. состояние .

Приложения

Компьютерное моделирование наношестерен из фуллеренов молекул . Есть надежда, что достижения в области нанонауки приведут к созданию машин, работающих на молекулярном уровне.

Исследования в области физики конденсированного состояния привело к появлению нескольких приложений для устройств, таких как разработка полупроводникового транзистора , лазерная технология, магнитные накопители , жидкие кристаллы , оптические волокна и несколько явлений, изучаемых в контексте нанотехнологий . Такие методы, как сканирующая туннельная микроскопия, могут использоваться для управления процессами в нанометровом масштабе и дали начало изучению нанопроизводства. Такие молекулярные машины разработали, например, нобелевские лауреаты по химии Бен Феринга , Жан-Пьер Соваж и Фрейзер Стоддарт . Феринга и его команда разработали несколько молекулярных машин, таких как молекулярный автомобиль , молекулярная ветряная мельница и многие другие.

В квантовых вычислениях информация представлена ​​квантовыми битами или кубитами . Кубиты могут быстро декогерировать до завершения полезных вычислений. Эту серьезную проблему необходимо решить, прежде чем можно будет реализовать квантовые вычисления. Для решения этой проблемы в физике конденсированного состояния предложено несколько многообещающих подходов, в том числе кубиты джозефсоновского перехода , спинтронные кубиты, использующие спиновую ориентацию магнитных материалов, или топологические неабелевы анионы из состояний дробного квантового эффекта Холла .

Физика конденсированного состояния также имеет важные применения в биомедицине , например, экспериментальный метод магнитно-резонансной томографии , широко используемый в медицинской диагностике.

См. также

• Мягкая материя - раздел физики конденсированного состояния.
• Отношения Грина – Кубо - уравнение, связывающее транспортные коэффициенты с корреляционными функциями.
• Функция Грина (теория многих тел) - Корреляторы операторов поля
• Материаловедение - Исследование материалов.
• Ядерная спектроскопия - использование свойств ядра для исследования свойств материала.
• Сравнение программного обеспечения для моделирования молекулярной механики
• Прозрачные материалы — свойство объекта или вещества пропускать свет с минимальным рассеянием. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Орбитальная намагниченность
• Симметрия в квантовой механике - свойства, лежащие в основе современной физики
• Мезоскопическая физика - раздел физики конденсированного состояния, изучающий материалы промежуточного размера.

Дальнейшее чтение

• Андерсон, Филип В. (09 марта 2018 г.). Основные понятия физики конденсированного состояния . ЦРК Пресс. ISBN   978-0-429-97374-1 .
• Гирвин, Стивен М.; Ян, Кун (28 февраля 2019 г.). Современная физика конденсированного состояния . Издательство Кембриджского университета. ISBN   978-1-108-57347-4 .
• Коулман, Пирс (2015). Введение в физику многих тел , Издательство Кембриджского университета, ISBN   0-521-86488-7 .
• П.М. Чайкин и Т.Ц. Лубенский (2000). Принципы физики конденсированного состояния , издательство Кембриджского университета; 1-е издание, ISBN   0-521-79450-1
• Александр Альтланд и Бен Саймонс (2006). Теория поля конденсированного состояния , Издательство Кембриджского университета, ISBN   0-521-84508-4 .
• Майкл П. Мардер (2010). Физика конденсированного состояния, второе издание , Джон Уайли и сыновья, ISBN   0-470-61798-5 .
• Лилиан Ходдесон, Эрнест Браун, Юрген Тейхманн и Спенсер Уирт, ред. (1992). Из кристаллического лабиринта: главы из истории физики твердого тела , Oxford University Press, ISBN   0-19-505329-X .

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с физикой конденсированного состояния, на Викискладе?