stringtranslate.com

Физика конденсированного состояния

Физика конденсированного состояния — это область физики , которая занимается макроскопическими и микроскопическими физическими свойствами материи , особенно твердой и жидкой фаз , возникающих 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. [1]

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 [2] , а Отдел физики конденсированного состояния является крупнейшим подразделением Американское физическое общество . [3] К ним относятся физики твердого тела и мягкой материи , которые изучают квантовые и неквантовые физические свойства материи соответственно. [4] Оба типа изучают широкий спектр материалов, предоставляя множество возможностей для исследований, финансирования и трудоустройства. [5] 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 . [6]

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 . Примерно в 1960-е годы к этому списку добавилось изучение физических свойств жидкостей , сформировав основу для более обширной специальности — физики конденсированного состояния. [7] Bell Telephone Laboratories была одним из первых институтов, проводивших исследовательскую программу в области физики конденсированного состояния. [7] 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 фотоэлектронной спектроскопии и фотолюминесцентной спектроскопии , 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 . [8] Заместитель директора Йельского квантового института А. Дуглас Стоун приводит аналогичные аргументы в пользу Эйнштейна в своей работе по синтетической истории квантовой механики . [9]

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 «Теорию» . из Condensed Matter в 1967 году [10] , поскольку они чувствовали, что это лучше, включало их интерес к жидкостям, ядерной материи и так далее. [11] [12] Хотя Андерсон и Гейне помогли популяризировать название «конденсированное вещество», оно использовалось в Европе в течение нескольких лет, наиболее заметно в журнале Springer -Verlag «Физика конденсированного вещества» , выпущенном в 1963 году. [13] 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. [14]

Ссылки на «конденсированные» состояния можно найти в более ранних источниках. Например, во введении к своей книге 1947 года «Кинетическая теория жидкостей » [15] Яков Френкель предположил, что «Кинетическая теория жидкостей должна соответственно развиваться как обобщение и расширение кинетической теории твердых тел. , правильнее было бы объединить их под названием «конденсированные тела».

История

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. [16] Это указывало на то, что атомы в атомной теории Джона Дальтона не 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. [17] [примечание 1]

В 1823 году Майкл Фарадей , тогда ассистент в лаборатории Дэви, успешно сжижал хлор и продолжил сжижать все известные газообразные элементы, за исключением азота, водорода и кислорода . [16] 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, когда газ и жидкость неотличимы как фазы, [19] и голландский физик Йоханнес ван дер Ваальс предложил теоретическую основу, которая позволила предсказать критическое поведение на основе измерений при гораздо более высоких температурах. [20] : 35–38  К 1908 году Джеймс Дьюар и Хайке Камерлинг-Оннес успешно смогли сжижать водород, а затем недавно открытый гелий соответственно. [16]

Пол Друде в 1900 году предложил первую теоретическую модель классического электрона , движущегося через металлическое твердое тело. [6] Модель Друде описывала свойства металлов с точки зрения газа свободных электронов и была первой микроскопической моделью, объясняющей эмпирические наблюдения, такие как закон Видемана-Франца . [21] [22] : 27–29  Однако, несмотря на успех модели Друде , у нее была одна заметная проблема: она не могла правильно объяснить электронный вклад в удельную теплоемкость и магнитные свойства металлов, а также температурную зависимость удельного сопротивления металлов. при низких температурах. [23] : 366–368. 

В 1911 году, через три года после того, как гелий был впервые сжижен, Оннес, работавший в Лейденском университете, обнаружил сверхпроводимость ртути , когда он заметил, что удельное электрическое сопротивление ртути исчезает при температурах ниже определенного значения. [24] Это явление совершенно удивило лучших физиков-теоретиков того времени и оставалось необъяснимым в течение нескольких десятилетий. [25] Альберт Эйнштейн в 1922 году сказал относительно современных теорий сверхпроводимости, что «с нашим далеко идущим незнанием квантовой механики сложных систем мы очень далеки от возможности составить теорию из этих смутных идей». [26]

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. [23] : 366–368  Математика кристаллических структур, разработанная Огюстом Браве , Евграфом Федоровым и другими, была использована для классификации кристаллов по группам симметрии , а таблицы кристаллических структур легли в основу серии « Международные таблицы кристаллографии» , впервые опубликованной в 1935. [27] Расчеты зонной структуры были впервые использованы в 1930 году для предсказания свойств новых материалов, а в 1947 году Джон Бардин , Уолтер Браттейн и Уильям Шокли разработали первый полупроводниковый транзистор , ознаменовав революцию в электронике. [6]

Реплика первого точечного транзистора в лабораториях Bell.

В 1879 году Эдвин Герберт Холл, работавший в Университете Джона Хопкинса, обнаружил напряжение, возникающее в проводниках, поперечном электрическому току в проводнике, и магнитное поле, перпендикулярное току. [28] 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 обнаружен только 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. [29] : 458–460  [30]

Магнетизм как свойство материи известен в Китае с 4000 г. до н.э. [31] : 1–2  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. [32] Пьер Кюри изучил зависимость намагниченности от температуры и обнаружил фазовый переход точки Кюри в ферромагнитных материалах. [31] В 1906 году Пьер Вейс ввел концепцию магнитных доменов для объяснения основных свойств ферромагнетиков. [33] : 9  Первая попытка микроскопического описания магнетизма была предпринята Вильгельмом Ленцем и Эрнстом Изингом с помощью модели Изинга , которая описывала магнитные материалы как состоящие из периодической решетки спинов , которые коллективно приобретали намагниченность. [31] 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. [31] : 36–38, г48 

Современная физика многих тел

Магнит, парящий над сверхпроводящим материалом.
Магнит , парящий над высокотемпературным сверхпроводником . Сегодня некоторые физики работают над пониманием высокотемпературной сверхпроводимости, используя соответствие AdS/CFT. [34]

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 . [35] 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. Русский физик Лев Ландау использовал эту идею в теории ферми-жидкости , в которой низкоэнергетические свойства взаимодействующих фермионных систем выражались в терминах того, что сейчас называют квазичастицами Ландау. [35] 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. [36] В конце концов, в 1956 году Джон Бардин , Леон Купер и Роберт Шриффер разработали так называемую теорию сверхпроводимости БКШ , основанную на открытии того, что сколь угодно малое притяжение между двумя электронами с противоположным спином, опосредованное фононами в решетке, может привести к возникновению связанное состояние называется куперовской парой . [37]

Квантовый эффект Холла : компоненты удельного сопротивления Холла в зависимости от внешнего магнитного поля [38] : рис. 14 

Изучение фазовых переходов и критического поведения наблюдаемых величин, называемых критическими явлениями , было основной областью интересов в 1960-х годах. [39] Лео Каданофф , Бенджамин Уидом и Майкл Фишер развили идеи критических показателей и масштабирования Уидома . Эти идеи были объединены Кеннетом Г. Уилсоном в 1972 году в рамках формализма ренормгруппы в контексте квантовой теории поля. [39]

Квантовый эффект Холла был открыт Клаусом фон Клитцингом , Дордой и Пеппером в 1980 году, когда они наблюдали, что проводимость Холла равна целым числам, кратным фундаментальной константе . (см. рисунок). Эффект оказался независимым от таких параметров, как размер системы и примеси. . [38] 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. [40] [41] : 69, 74  Вскоре после этого, в 1982 году, Хорст Штёрмер и Даниэль Цуй наблюдали дробный квантовый эффект Холла , при котором проводимость теперь стала рациональным кратным константе . Лафлин в 1983 году понял, что это является следствием взаимодействия квазичастиц в состояниях Холла, и сформулировал решение вариационного метода , названное волновой функцией Лафлина . [42] Изучение топологических свойств дробного эффекта Холла остается активной областью исследований. [43] Десятилетия спустя вышеупомянутая теория топологических зон, выдвинутая Дэвидом Дж. Таулессом и его сотрудниками [44], получила дальнейшее развитие, что привело к открытию топологических изоляторов . [45] [46]

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 . [47] Стало понятно, что высокотемпературные сверхпроводники являются примером сильно коррелированных материалов, где электрон-электронные взаимодействия играют важную роль. [48] ​​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 [49] в соответствии с более ранними теоретическими предсказаниями. [50] 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 . Для изучения физики фазовых переходов также разработаны теоретические модели , 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

Теоретическое понимание физики конденсированного состояния тесно связано с понятием возникновения , при котором сложные совокупности частиц ведут себя совершенно иначе, чем их отдельные составляющие. [37] [43] Например, ряд явлений, связанных с высокотемпературной сверхпроводимостью, изучен плохо, хотя микроскопическая физика отдельных электронов и решеток хорошо известна. [51] Аналогичным образом изучались модели систем конденсированного состояния, в которых коллективные возбуждения ведут себя как фотоны и электроны , тем самым описывая электромагнетизм как возникающее явление. [52] Возникающие 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

Металлическое состояние исторически было важным строительным блоком для изучения свойств твердых тел. [53] 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. [22] : 90–91  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 . [22] : 101–103  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. [22] : 48  [54] В 1928 году швейцарский физик Феликс Блох предоставил решение волновой функции уравнения Шредингера с периодическим потенциалом, известное как теорема Блоха . [55]

Расчет электронных свойств металлов путем решения волновой функции многих тел часто является вычислительно сложным, и, следовательно, для получения значимых прогнозов необходимы методы аппроксимации. [56] 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. [53] : 330–337  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. [56]

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 сверхпроводника BCS , которое нарушает фазовую вращательную симметрию U(1) . [57] [58]

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. [59]

Фаза перехода

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. [60]

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. [60] Эти критические явления представляют собой серьезные проблемы для физиков, поскольку обычные макроскопические законы больше не действуют в регионе, и необходимо изобретать новые идеи и методы, чтобы найти новые законы, которые могут описать систему. [61] : 75 и далее 

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. [62] : 8–11 

Вблизи критической точки флуктуации происходят в широком диапазоне масштабов, в то время как особенность всей системы является масштабно-инвариантной. Методы группы ренормировки последовательно усредняют наиболее коротковолновые колебания поэтапно, 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. [61] : 11 

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 . [63] 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 кристалла белка .

Рассеяние

Некоторые эксперименты с конденсированными веществами 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-вольта (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. [64] : 33–34 

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. [64] : 33–34  [65] : 39–43  Точно так же аннигиляцию позитронов можно использовать как косвенное измерение локальной электронной плотности. [66] Лазерная спектроскопия является отличным инструментом для изучения микроскопических свойств среды, например, для изучения запрещенных переходов в средах с помощью нелинейной оптической спектроскопии . [61] : 258–259. 

Внешние магнитные поля

В экспериментальной физике конденсированного состояния внешние магнитные поля выступают в качестве термодинамических переменных , управляющих состоянием, фазовыми переходами и свойствами материальных систем. [67] 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. [68] : 69  [69] : 185  Квантовые осцилляции — еще один экспериментальный метод, в котором сильные магнитные поля используются для изучения свойств материала, таких как геометрия поверхности Ферми . [70] Сильные магнитные поля будут полезны при экспериментальной проверке различных теоретических предсказаний, таких как квантованный магнитоэлектрический эффект , магнитный монополь изображения и полуцелый квантовый эффект Холла . [68] : 57 

Магнитно-резонансная спектроскопия

Локальную структуру , а также структуру ближайших атомов-соседей можно исследовать в конденсированном состоянии 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. Зондом этих сверхтонких взаимодействий становятся как локализованные электроны, так и специфические стабильные или нестабильные изотопы ядер , 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 ( СР), мессбауэровскую спектроскопию , ЯМР и возмущенную угловую корреляцию (PAC). PAC особенно идеален для изучения фазовых изменений при экстремальных температурах выше 2000 °C благодаря температурной независимости метода.

Холодные атомные газы

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 . [71] 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 . [72] [73] [43]

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 занимает один квант . состояние . [74]

Приложения

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

Исследования в области физики конденсированного состояния [43] [75] привели к появлению нескольких приложений для устройств, таких как разработка полупроводниковых транзисторов , [6] лазерных технологий, [61] магнитных накопителей , жидких кристаллов , оптических волокон [76] и нескольких явления, изучаемые в контексте нанотехнологий . [77] : 111ff  Такие методы, как сканирующая туннельная микроскопия, могут использоваться для управления процессами в нанометровом масштабе и привели к изучению нанопроизводства. [78] Такие молекулярные машины были разработаны, например, лауреатами Нобелевской премии по химии Беном Ферингой , Жан-Пьером Соважем и Фрейзером Стоддартом . Феринга и его команда разработали несколько молекулярных машин, таких как молекулярный автомобиль , молекулярная ветряная мельница и многие другие. [79]

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 . [78]

Физика конденсированного состояния также имеет важные применения в биомедицине , например, экспериментальный метод магнитно-резонансной томографии , широко используемый в медицинской диагностике. [78]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ С тех пор и водород, и азот были сжижены; однако обычные жидкие азот и водород не обладают металлическими свойствами. Физики Юджин Вигнер и Хиллард Белл Хантингтон в 1935 году предсказали [18] , что состояние металлического водорода существует при достаточно высоких давлениях (свыше 25 ГПа ), но этого до сих пор не наблюдалось.

Рекомендации

  1. ^ "Теория физики конденсированного состояния". Физический факультет Йельского университета . Проверено 30 ноября 2023 г.
  2. ^ «Работа в области физики конденсированного состояния: Карьера в области физики конденсированного состояния» . Вакансии по физике сегодня . Архивировано из оригинала 27 марта 2009 г. Проверено 1 ноября 2010 г.
  3. ^ «История физики конденсированного состояния». Американское физическое общество . Проверено 27 марта 2012 г.
  4. ^ "Физика конденсированного состояния". Физический факультет Университета Колорадо в Боулдере . 26 апреля 2016 года . Проверено 30 ноября 2023 г.
  5. ^ «Физика конденсированного состояния и материалов». Колледж свободных искусств и наук Айовы . Проверено 30 ноября 2023 г.
  6. ^ abcd Коэн, Марвин Л. (2008). «Очерк: пятьдесят лет физики конденсированного состояния». Письма о физических отзывах . 101 (25): 250001. Бибкод : 2008PhRvL.101y0001C. doi :10.1103/PhysRevLett.101.250001. ПМИД  19113681 . Проверено 31 марта 2012 г.
  7. ^ Аб Кон, В. (1999). «Очерк физики конденсированного состояния в ХХ веке» (PDF) . Обзоры современной физики . 71 (2): С59–С77. Бибкод : 1999RvMPS..71...59K. doi :10.1103/RevModPhys.71.S59. Архивировано из оригинала (PDF) 25 августа 2013 года . Проверено 27 марта 2012 г.
  8. ↑ Кардона, Мануэль (31 августа 2005 г.). «Эйнштейн как отец физики твердого тела». arXiv : физика/0508237 .
  9. ↑ Стоун, А. Дуглас (6 октября 2013 г.). Эйнштейн и квант: поиски доблестного шваба (первое изд.). Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0691139685. Проверено 1 июня 2022 г.
  10. ^ "Филип Андерсон". Кафедра физики . Университет Принстон . Проверено 27 марта 2012 г.
  11. ^ Андерсон, Филип В. (ноябрь 2011 г.). «В фокусе: больше и другое». Всемирный научный информационный бюллетень . 33 :2.
  12. ^ Андерсон, Филип В. (09 марта 2018 г.). Основные понятия физики конденсированного состояния. ЦРК Пресс. ISBN 978-0-429-97374-1.
  13. ^ «Физика конденсированного состояния». 1963 год . Проверено 20 апреля 2015 г.
  14. ^ Мартин, Джозеф Д. (2015). «Что значит смена названия? Физика твердого тела, физика конденсированного состояния и материаловедение» (PDF) . Физика в перспективе . 17 (1): 3–32. Бибкод : 2015ФП....17....3М. дои : 10.1007/s00016-014-0151-7. S2CID  117809375. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  15. ^ Френкель, Дж. (1947). Кинетическая теория жидкостей . Издательство Оксфордского университета.
  16. ^ abc Гудштейн, Дэвид ; Гудштейн, Джудит (2000). «Ричард Фейнман и история сверхпроводимости» (PDF) . Физика в перспективе . 2 (1): 30. Бибкод : 2000PhP.....2...30G. дои : 10.1007/s000160050035. S2CID  118288008. Архивировано из оригинала (PDF) 17 ноября 2015 года . Проверено 7 апреля 2012 г.
  17. ^ Дэви, Джон, изд. (1839). Собрание сочинений сэра Хамфри Дэви: Vol. II. Смит Элдер и Ко, Корнхилл. п. 22.
  18. ^ Сильвера, Исаак Ф.; Коул, Джон В. (2010). «Металлический водород: самое мощное ракетное топливо из когда-либо существовавших». Журнал физики . 215 (1): 012194. Бибкод : 2010JPhCS.215a2194S. дои : 10.1088/1742-6596/215/1/012194 .
  19. ^ Роулинсон, Дж.С. (1969). «Томас Эндрюс и критическая точка». Природа . 224 (8): 541–543. Бибкод : 1969Natur.224..541R. дои : 10.1038/224541a0. S2CID  4168392.
  20. ^ Аткинс, Питер; де Паула, Хулио (2009). Элементы физической химии . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1-4292-1813-9.
  21. ^ Киттель, Чарльз (1996). Введение в физику твердого тела . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-11181-8.
  22. ^ abcd Ходдесон, Лилиан (1992). Из кристаллического лабиринта: главы из истории физики твердого тела. Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-505329-6.
  23. ^ аб Краг, Хельге (2002). Квантовые поколения: история физики двадцатого века (переиздание). Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-09552-3.
  24. ^ ван Делфт, Дирк; Кес, Питер (сентябрь 2010 г.). «Открытие сверхпроводимости» (PDF) . Физика сегодня . 63 (9): 38–43. Бибкод : 2010ФТ....63и..38В. дои : 10.1063/1.3490499 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 7 апреля 2012 г.
  25. ^ Слихтер, Чарльз. «Введение в историю сверхпроводимости». Моменты открытия . Американский институт физики. Архивировано из оригинала 15 мая 2012 года . Проверено 13 июня 2012 г.
  26. ^ Шмалиан, Йорг (2010). «Неудачные теории сверхпроводимости». Буквы современной физики Б. 24 (27): 2679–2691. arXiv : 1008.0447 . Бибкод : 2010MPLB...24.2679S. дои : 10.1142/S0217984910025280. S2CID  119220454.
  27. ^ Аройо, Мойс, И.; Мюллер, Ульрих; Вондраччек, Ганс (2006). Историческое введение (PDF) . Международные таблицы по кристаллографии. Том. А. стр. 2–5. CiteSeerX 10.1.1.471.4170 . дои : 10.1107/97809553602060000537. ISBN  978-1-4020-2355-2. Архивировано из оригинала (PDF) 3 октября 2008 г. Проверено 24 октября 2017 г.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  28. ^ Холл, Эдвин (1879). «О новом действии магнита на электрический ток». Американский журнал математики . 2 (3): 287–92. дои : 10.2307/2369245. JSTOR  2369245. S2CID  107500183. Архивировано из оригинала 8 февраля 2007 г. Проверено 28 февраля 2008 г.
  29. ^ Ландау, Л.Д.; Лифшиц, Э.М. (1977). Квантовая механика: нерелятивистская теория . Пергамон Пресс. ISBN 978-0-7506-3539-4.
  30. ^ Линдли, Дэвид (15 мая 2015 г.). «В центре внимания: ориентиры - случайное открытие ведет к стандарту калибровки». Физика . 8 : 46. дои : 10.1103/Физика.8.46.
  31. ^ abcd Мэттис, Дэниел (2006). Теория магнетизма стала проще . Всемирная научная. ISBN 978-981-238-671-7.
  32. ^ Чаттерджи, Сабьясачи (август 2004 г.). «Гейзенберг и ферромагнетизм». Резонанс . 9 (8): 57–66. дои : 10.1007/BF02837578. S2CID  123099296 . Проверено 13 июня 2012 г.
  33. ^ Висинтин, Аугусто (1994). Дифференциальные модели гистерезиса. Спрингер. ISBN 978-3-540-54793-8.
  34. ^ Мерали, Зия (2011). «Коллаборативная физика: теория струн находит товарища по скамейке». Природа . 478 (7369): 302–304. Бибкод :2011Natur.478..302M. дои : 10.1038/478302a . ПМИД  22012369.
  35. ^ аб Коулман, Пирс (2003). «Физика многих тел: незавершенная революция». Анналы Анри Пуанкаре . 4 (2): 559–580. arXiv : cond-mat/0307004 . Бибкод : 2003AnHP....4..559C. CiteSeerX 10.1.1.242.6214 . дои : 10.1007/s00023-003-0943-9. S2CID  8171617. 
  36. ^ Каданов, Лео, П. (2009). Фазы материи и фазовые переходы; От теории среднего поля к критическим явлениям (PDF) . Чикагский университет. Архивировано из оригинала (PDF) 31 декабря 2015 г. Проверено 14 июня 2012 г.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  37. ^ аб Коулман, Пирс (2016). Введение в физику многих тел. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-86488-6.
  38. ^ Аб фон Клитцинг, Клаус (9 декабря 1985 г.). «Квантованный эффект Холла» (PDF) . Нобелевская премия . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  39. ^ аб Фишер, Майкл Э. (1998). «Теория ренормгруппы: ее основа и формулировка в статистической физике». Обзоры современной физики . 70 (2): 653–681. Бибкод : 1998RvMP...70..653F. CiteSeerX 10.1.1.129.3194 . doi : 10.1103/RevModPhys.70.653. 
  40. ^ Аврон, Джозеф Э.; Осадчий, Даниил; Зайлер, Руди (2003). «Топологический взгляд на квантовый эффект Холла». Физика сегодня . 56 (8): 38–42. Бибкод : 2003PhT....56h..38A. дои : 10.1063/1.1611351 .
  41. ^ Дэвид Дж. Таулесс (12 марта 1998 г.). Топологические квантовые числа в нерелятивистской физике . Всемирная научная. ISBN 978-981-4498-03-6.
  42. ^ Вэнь, Сяо-Ган (1992). «Теория краевых состояний в дробных квантовых эффектах Холла» (PDF) . Международный журнал современной физики C . 6 (10): 1711–1762. Бибкод : 1992IJMPB...6.1711W. CiteSeerX 10.1.1.455.2763 . дои : 10.1142/S0217979292000840. Архивировано из оригинала (PDF) 22 мая 2005 года . Проверено 14 июня 2012 г. 
  43. ^ abcd Гирвин, Стивен М.; Ян, Кун (28 февраля 2019 г.). Современная физика конденсированного состояния. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-108-57347-4.
  44. ^ Таулесс, диджей; Кохмото, М.; Найтингейл, депутат парламента; ден Нейс, М. (9 августа 1982 г.). «Квантованная холловская проводимость в двумерном периодическом потенциале». Письма о физических отзывах . 49 (6): 405–408. Бибкод : 1982PhRvL..49..405T. doi : 10.1103/PhysRevLett.49.405 .
  45. ^ Кейн, CL; Меле, Э.Дж. (23 ноября 2005 г.). «Квантовый спиновый эффект Холла в графене». Письма о физических отзывах . 95 (22): 226801. arXiv : cond-mat/0411737 . Бибкод : 2005PhRvL..95v6801K. doi : 10.1103/PhysRevLett.95.226801. PMID  16384250. S2CID  6080059.
  46. ^ Хасан, МЗ; Кейн, CL (08 ноября 2010 г.). «Коллоквиум: Топологические изоляторы». Обзоры современной физики . 82 (4): 3045–3067. arXiv : 1002.3895 . Бибкод : 2010RvMP...82.3045H. doi : 10.1103/RevModPhys.82.3045. S2CID  16066223.
  47. ^ Беднорц, Дж. Г., Мюллер, К. А. (1986), «Возможная сверхпроводимость с высокой Tc в системе Ba-La-Cu-O», Z. Physik B - Condensed Matter , 64 (2): 189–193, doi : 10.1007 /BF01303701 {{citation}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  48. ^ Кинтанилья, Хорхе; Хули, Крис (июнь 2009 г.). «Загадка сильной корреляции» (PDF) . Мир физики . 22 (6): 32. Бибкод : 2009PhyW...22f..32Q. дои : 10.1088/2058-7058/22.06.38. Архивировано из оригинала (PDF) 6 сентября 2012 года . Проверено 14 июня 2012 г.
  49. ^ Евгения Сэмюэл Райх (2012). «Появляются надежды на экзотический изолятор». Природа . 492 (7428): 165. Бибкод : 2012Natur.492..165S. дои : 10.1038/492165a . ПМИД  23235853.
  50. ^ Дзеро, В.; К. Сан; В. Галицкий; П. Коулман (2010). «Топологические изоляторы Кондо». Письма о физических отзывах . 104 (10): 106408. arXiv : 0912.3750 . Бибкод : 2010PhRvL.104j6408D. doi : 10.1103/PhysRevLett.104.106408. PMID  20366446. S2CID  119270507.
  51. ^ «Понимание возникновения». Национальный научный фонд . Проверено 30 марта 2012 г.
  52. ^ Левин, Майкл; Вэнь, Сяо-Ган (2005). «Коллоквиум: Фотоны и электроны как возникающие явления». Обзоры современной физики . 77 (3): 871–879. arXiv : cond-mat/0407140 . Бибкод : 2005РвМП...77..871Л. doi : 10.1103/RevModPhys.77.871. S2CID  117563047.
  53. ^ AB Нил В. Эшкрофт; Н. Дэвид Мермин (1976). Физика твердого тела . Колледж Сондерс. ISBN 978-0-03-049346-1.
  54. ^ Эккерт, Майкл (2011). «Спорное открытие: начало дифракции рентгеновских лучей в кристаллах в 1912 году и его последствия». Акта Кристаллографика А. 68 (1): 30–39. Бибкод : 2012AcCrA..68...30E. дои : 10.1107/S0108767311039985 . ПМИД  22186281.
  55. ^ Хан, Чон Хун (2010). Физика твердого тела (PDF) . Университет Сунг Кюн Кван. Архивировано из оригинала (PDF) 20 мая 2013 г.
  56. ^ аб Пердью, Джон П.; Ружсински, Адриенн (2010). «Четырнадцать простых уроков теории функционала плотности» (PDF) . Международный журнал квантовой химии . 110 (15): 2801–2807. дои : 10.1002/qua.22829 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 13 мая 2012 г.
  57. ↑ Намбу, Ёитиро (8 декабря 2008 г.). «Спонтанное нарушение симметрии в физике элементарных частиц: случай перекрестного оплодотворения». Нобелевская премия .
  58. ^ Грейтер, Мартин (16 марта 2005 г.). «Нарушается ли электромагнитная калибровочная инвариантность в сверхпроводниках?». Анналы физики . 319 (2005): 217–249. arXiv : cond-mat/0503400 . Бибкод : 2005AnPhy.319..217G. дои : 10.1016/j.aop.2005.03.008. S2CID  55104377.
  59. ^ Лейтвайлер, Х. (1997). «Фононы как бозоны Голдстоуна». Хелв. Физ. Акта . 70 (1997): 275–286. arXiv : hep-ph/9609466 . Бибкод : 1996hep.ph....9466L.
  60. ^ Аб Войта, Матиас (2003). «Квантовые фазовые переходы». Отчеты о прогрессе в физике . 66 (12): 2069–2110. arXiv : cond-mat/0309604 . Бибкод : 2003РПФ...66.2069В. CiteSeerX 10.1.1.305.3880 . дои : 10.1088/0034-4885/66/12/R01. S2CID  15806867. 
  61. ^ abcd Физика конденсированного состояния, Физика 1990-х годов. Национальный исследовательский совет. 1986. дои : 10.17226/626. ISBN 978-0-309-03577-4.
  62. ^ Малкольм Ф. Коллинз, профессор физики Университета Макмастера (2 марта 1989 г.). Магнитное критическое рассеяние . Издательство Оксфордского университета, США. ISBN 978-0-19-536440-8.
  63. ^ Ричардсон, Роберт С. (1988). Экспериментальные методы в физике конденсированного состояния при низких температурах . Аддисон-Уэсли. ISBN 978-0-201-15002-5.
  64. ^ аб Чайкин, премьер-министр; Лубенский, ТК (1995). Основы физики конденсированного состояния . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-43224-5.
  65. ↑ Вэньтао Чжан (22 августа 2012 г.). Фотоэмиссионная спектроскопия высокотемпературного сверхпроводника: исследование Bi2Sr2CaCu2O8 методом лазерной фотоэмиссии с угловым разрешением . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-32472-7.
  66. ^ Сигел, RW (1980). «Спектроскопия позитронной аннигиляции». Ежегодный обзор материаловедения . 10 : 393–425. Бибкод : 1980AnRMS..10..393S. doi : 10.1146/annurev.ms.10.080180.002141.
  67. ^ Комитет по установкам для физики конденсированного состояния (2004). «Отчет рабочей группы IUPAP по установкам для физики конденсированного состояния: сильные магнитные поля» (PDF) . Международный союз теоретической и прикладной физики. Архивировано из оригинала (PDF) 22 февраля 2014 г. Проверено 7 февраля 2016 г. Магнитное поле — это не просто спектроскопический инструмент, а термодинамическая переменная, которая наряду с температурой и давлением контролирует состояние, фазовые переходы и свойства материалов.
  68. ^ ab Комитет по оценке текущего состояния и будущего направления науки о сильных магнитных полях в Соединенных Штатах; Совет по физике и астрономии; Отдел инженерных и физических наук; Национальный исследовательский совет (25 ноября 2013 г.). Наука о сильных магнитных полях и ее применение в США: современное состояние и будущие направления. Пресса национальных академий. дои : 10.17226/18355. ISBN 978-0-309-28634-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  69. ^ Моултон, WG; Рейес, AP (2006). «Ядерный магнитный резонанс в твердых телах в очень сильных магнитных полях». В Херлахе, Фриц (ред.). Сильные магнитные поля . Наука и технология. Всемирная научная. ISBN 978-981-277-488-0.
  70. ^ Дуарон-Лейро, Николя; и другие. (2007). «Квантовые колебания и поверхность Ферми в недолегированном высокотемпературном сверхпроводнике». Природа . 447 (7144): 565–568. arXiv : 0801.1281 . Бибкод : 2007Natur.447..565D. дои : 10.1038/nature05872. PMID  17538614. S2CID  4397560.
  71. ^ Булута, Юлия; Нори, Франко (2009). «Квантовые симуляторы». Наука . 326 (5949): 108–11. Бибкод : 2009Sci...326..108B. дои : 10.1126/science.1177838. PMID  19797653. S2CID  17187000.
  72. ^ Грейнер, Маркус; Фёллинг, Саймон (2008). «Физика конденсированного состояния: Оптические решетки». Природа . 453 (7196): 736–738. Бибкод : 2008Natur.453..736G. дои : 10.1038/453736a. PMID  18528388. S2CID  4572899.
  73. ^ Якш, Д.; Золлер, П. (2005). «Набор инструментов Хаббарда для холодного атома». Анналы физики . 315 (1): 52–79. arXiv : cond-mat/0410614 . Бибкод : 2005AnPhy.315...52J. CiteSeerX 10.1.1.305.9031 . дои : 10.1016/j.aop.2004.09.010. S2CID  12352119. 
  74. ↑ Гланц, Джеймс (10 октября 2001 г.). «Три исследователя из США получили Нобелевскую премию по физике» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 23 мая 2012 г.
  75. ^ Коулман, Пирс (2015). Введение в физику многих тел. Кембриджское ядро. дои : 10.1017/CBO9781139020916. ISBN 9780521864886. Проверено 20 апреля 2020 г.
  76. ^ «Конденсированное вещество». Физический Пантеон . Проверено 30 ноября 2023 г.
  77. ^ Комитет по CMMP 2010; Комитет по наукам о твердом теле; Совет по физике и астрономии; Отдел инженерных и физических наук, Национальный исследовательский совет (21 декабря 2007 г.). Физика конденсированного состояния и материалов: наука о мире вокруг нас. Издательство национальных академий. дои : 10.17226/11967. ISBN 978-0-309-13409-5.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  78. ^ abc Йе, Най-Чанг (2008). «Перспектива границ современной физики конденсированного состояния» (PDF) . Бюллетень ААППС . 18 (2) . Проверено 19 июня 2018 г.
  79. ^ Кудернац, Тибор; Руангсупапичат, Ноппорн; Паршау, Манфред; Масиа, Беатрис; Кацонис, Натали; Арутюнян Сюзанна Р.; Эрнст, Карл-Хайнц; Феринга, Бен Л. (1 ноября 2011 г.). «Направленное движение четырехколесной молекулы по металлической поверхности с электрическим приводом». Природа . 479 (7372): 208–211. Бибкод : 2011Natur.479..208K. дои : 10.1038/nature10587. ISSN  1476-4687. PMID  22071765. S2CID  6175720.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки