Физика твердого тела — это изучение твердой материи или твердых тел с помощью таких методов, как химия твердого тела , квантовая механика , кристаллография , электромагнетизм и металлургия . Это крупнейший раздел физики конденсированного состояния . Физика твердого тела изучает, как крупномасштабные свойства твердых материалов являются результатом их свойств атомного масштаба. Таким образом, физика твердого тела составляет теоретическую основу материаловедения . Наряду с химией твердого тела он также имеет прямое применение в технологии транзисторов и полупроводников .
Твердые материалы образуются из плотно упакованных атомов, которые интенсивно взаимодействуют. Эти взаимодействия определяют механические (например, твердость и эластичность ), тепловые , электрические , магнитные и оптические свойства твердых тел. В зависимости от используемого материала и условий, в которых он образовался, атомы могут быть расположены в правильном геометрическом порядке ( кристаллические твердые тела , к которым относятся металлы и обычный водяной лед ) или нерегулярно ( аморфное твердое тело, такое как обычное оконное стекло ).
Основная часть физики твердого тела, как общей теории, сосредоточена на кристаллах . В первую очередь это связано с тем, что периодичность атомов в кристалле — его определяющая характеристика — облегчает математическое моделирование. Аналогично, кристаллические материалы часто обладают электрическими , магнитными , оптическими или механическими свойствами, которые можно использовать в инженерных целях.
Силы между атомами в кристалле могут принимать самые разные формы. Например, в кристалле хлорида натрия (поваренной соли) кристалл состоит из ионных натрия и хлора и скрепляется ионными связями . В других атомы разделяют электроны и образуют ковалентные связи . В металлах электроны распределяются по всему кристаллу в результате металлической связи . Наконец, благородные газы не подвергаются ни одному из этих типов связей. В твердой форме благородные газы удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, возникающими в результате поляризации электронного облака заряда на каждом атоме. Различия между типами твердых тел обусловлены различиями в способах их связи.
Физические свойства твердых тел были обычным предметом научных исследований на протяжении веков, но отдельная область под названием физика твердого тела не возникла до 1940-х годов , в частности, с созданием Отдела физики твердого тела (DSSP). в рамках Американского физического общества . DSSP обслуживал промышленных физиков, а физика твердого тела стала ассоциироваться с технологическими приложениями, ставшими возможными благодаря исследованиям твердого тела. К началу 1960-х годов DSSP было крупнейшим подразделением Американского физического общества. [1] [2]
Крупные сообщества физиков твердого тела также возникли в Европе после Второй мировой войны , в частности в Англии , Германии и Советском Союзе . [3] В Соединенных Штатах и Европе твердое тело стало заметной областью благодаря исследованиям полупроводников , сверхпроводимости , ядерного магнитного резонанса и множества других явлений. В начале холодной войны исследования в области физики твердого тела часто не ограничивались твердыми телами, что побудило некоторых физиков в 1970-х и 1980-х годах основать область физики конденсированного состояния , которая была организована вокруг общих методов, используемых для исследования твердых тел, жидкостей, плазмы и т. д. и другие сложные вещи. [1] Сегодня физика твердого тела широко считается разделом физики конденсированного состояния, часто называемым твердым конденсированным веществом, который фокусируется на свойствах твердых тел с регулярной кристаллической решеткой.
На многие свойства материалов влияет их кристаллическая структура . Эту структуру можно исследовать с помощью ряда кристаллографических методов, включая рентгеновскую кристаллографию , дифракцию нейтронов и дифракцию электронов .
Размеры отдельных кристаллов кристаллического твердого материала варьируются в зависимости от используемого материала и условий его образования. Большинство кристаллических материалов, встречающихся в повседневной жизни, являются поликристаллическими , причем отдельные кристаллы имеют микроскопические размеры, но макроскопические монокристаллы могут быть произведены либо естественным путем (например, алмазы ), либо искусственно.
Реальные кристаллы имеют дефекты или нарушения в идеальном расположении, и именно эти дефекты критически определяют многие электрические и механические свойства реальных материалов.
Свойства материалов, такие как электропроводность и теплоемкость, исследуются физикой твердого тела. Ранней моделью электропроводности была модель Друде , которая применяла кинетическую теорию к электронам в твердом теле. Предполагая, что материал содержит неподвижные положительные ионы и «электронный газ» из классических невзаимодействующих электронов, модель Друде смогла объяснить электрическую и теплопроводность , а также эффект Холла в металлах, хотя и сильно переоценила электронную теплоемкость.
Арнольд Зоммерфельд объединил классическую модель Друде с квантовой механикой в модели свободных электронов (или модели Друде-Зоммерфельда). Здесь электроны моделируются как ферми-газ , газ частиц, которые подчиняются квантовомеханической статистике Ферми-Дирака . Модель свободных электронов дала улучшенные прогнозы теплоемкости металлов, однако она не смогла объяснить существование изоляторов .
Модель почти свободных электронов представляет собой модификацию модели свободных электронов, которая включает слабое периодическое возмущение , предназначенное для моделирования взаимодействия между электронами проводимости и ионами в кристаллическом твердом теле. Вводя идею электронных зон , теория объясняет существование проводников , полупроводников и изоляторов .
Модель почти свободных электронов переписывает уравнение Шрёдингера для случая периодического потенциала . Решения в этом случае известны как состояния Блоха . Поскольку теорема Блоха применима только к периодическим потенциалам и поскольку непрерывные случайные движения атомов в кристалле нарушают периодичность, такое использование теоремы Блоха является лишь приближением, но оно оказалось чрезвычайно ценным приближением, без которого большая часть физики твердого тела анализ будет невозможен. Отклонения от периодичности рассматриваются с помощью квантово-механической теории возмущений .
Современные темы исследований в области физики твердого тела включают:
