stringtranslate.com

Физика конденсированного состояния

Физика конденсированного состояния — это область физики , которая занимается макроскопическими и микроскопическими физическими свойствами материи , особенно твёрдой и жидкой фаз , которые возникают из-за электромагнитных сил между атомами и электронами . В более общем смысле, предмет имеет дело с конденсированными фазами материи: системами многих компонентов с сильными взаимодействиями между ними. Более экзотические конденсированные фазы включают сверхпроводящую фазу, демонстрируемую некоторыми материалами при чрезвычайно низких криогенных температурах , ферромагнитные и антиферромагнитные фазы спинов на кристаллических решётках атомов, конденсаты Бозе-Эйнштейна, обнаруженные в ультрахолодных атомных системах, и жидкие кристаллы . Физики, изучающие конденсированное состояние, стремятся понять поведение этих фаз с помощью экспериментов по измерению различных свойств материалов и путём 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 отделением Американского физического общества . [3] К ним относятся физики твердого тела и физики мягкого состояния , 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] 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 разделы 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 . Около 1960-х годов к этому списку было добавлено изучение физических свойств жидкостей , что сформировало основу для более всеобъемлющей специальности физики конденсированного состояния. [7] Bell Telephone Laboratories был одним из первых институтов, проводивших исследовательскую программу в области физики конденсированного состояния. [7] По словам основателя и директора Института исследований твердого тела Макса Планка , профессора физики Мануэля Кардоны, именно Альберт Эйнштейн создал современную область физики конденсированного состояния, начав с его основополагающей статьи 1905 года о фотоэлектрическом эффекте и фотолюминесценции , которая открыла области фотоэлектронной спектроскопии и фотолюминесцентной спектроскопии , а затем с его статьи 1907 года об удельной теплоемкости твердых тел , которая впервые представила влияние колебаний решетки на термодинамические свойства кристаллов, в частности удельную теплоемкость . [8] Заместитель директора Йельского квантового института А. Дуглас Стоун приводит аналогичные доводы в пользу приоритета Эйнштейна в своей работе по синтетической истории квантовой механики . [9]

Этимология

По словам физика Филиппа Уоррена Андерсона , использование термина «конденсированное вещество» для обозначения области исследования было придумано им и Фолькером Гейне , когда они изменили название своей группы в Кавендишской лаборатории в Кембридже с « Теория твердого тела» на «Теория конденсированного вещества» в 1967 году, [10] поскольку они посчитали, что это лучше отражает их интерес к жидкостям, ядерной материи и т. д. [11] [12] Хотя Андерсон и Гейне помогли популяризировать название «конденсированное вещество», оно использовалось в Европе в течение нескольких лет, наиболее заметно в журнале издательства Springer-Verlag «Физика конденсированного вещества» , выпущенном в 1963 году. [13] Название «физика конденсированного вещества» подчеркивало общность научных проблем, с которыми сталкивались физики, работающие с твердыми телами, жидкостями, плазмой и другими сложными веществами, тогда как «физика твердого тела» часто ассоциировалась с ограниченными промышленными применениями металлов и полупроводников. В 1960-х и 1970-х годах некоторые физики посчитали, что более полное название лучше соответствует условиям финансирования и политике Холодной войны того времени. [14]

Ссылки на «конденсированные» состояния можно проследить и 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. По сути дела, было бы правильнее 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 Хэмфри Дэви в первые десятилетия девятнадцатого века. Дэви заметил, что из сорока химических элементов, известных в то время, 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 неделимы, как утверждал Дальтон, а имели внутреннюю структуру. Дэви также утверждал, что элементы, которые тогда считались газами, такие как азот и водород, могли быть сжижены при правильных условиях и затем вели себя как металлы. [17] [примечание 1]

В 1823 году Майкл Фарадей , тогда ассистент в лаборатории Дэви, успешно сжижил 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 изучал фазовый переход из жидкости в газ и ввел термин «критическая точка» для описания состояния, при котором газ и жидкость были неразличимы как фазы, [19] а голландский физик Иоганнес ван дер Ваальс предоставил 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 сжижить водород и недавно открытый тогда гелий соответственно. [16]

В 1900 году Пауль Друде предложил первую теоретическую модель для классического электрона, движущегося через металлическое твердое тело. [6] Модель Друде описывала свойства металлов в терминах 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 при низких температурах. [23] : 366–368 

В 1911 году, через три года после того, как гелий был впервые сжижен, Оннес, работая в Лейденском университете, открыл сверхпроводимость в ртути , когда он наблюдал, как электрическое сопротивление ртути исчезает при температурах ниже определенного значения. [24] Это явление полностью удивило лучших физиков-теоретиков того времени и оставалось необъясненным в течение нескольких десятилетий. [25] Альберт Эйнштейн в 1922 году сказал относительно современных теорий сверхпроводимости, что «с нашим глубоким незнанием квантовой механики составных систем мы очень далеки от того, чтобы 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 улучшил объяснение теплоемкости. 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, использовалась для классификации кристаллов по их группам симметрии , а таблицы кристаллических структур легли в основу серии «Международные таблицы кристаллографии» , впервые опубликованной в 1935 году. [27] Расчеты зонной структуры впервые были использованы в 1930 году для прогнозирования свойств новых материалов, а в 1947 году Джон Бардин , Уолтер Браттейн и Уильям Шокли разработали первый транзистор на основе полупроводника , что ознаменовало революцию в электронике. [6]

Копия первого точечно-контактного транзистора в лабораториях Белла

В 1879 году Эдвин Герберт Холл, работавший в Университете Джонса Хопкинса, обнаружил, что напряжение, возникающее на проводниках, было поперечным как электрическому току в проводнике, так и магнитному полю, приложенному перпендикулярно току. [28] Это явление, возникающее из-за природы носителей заряда в проводнике, стало называться эффектом Холла , но в то время оно не было должным образом объяснено, поскольку электрон был экспериментально обнаружен лишь 18 лет спустя. После появления квантовой механики Лев Ландау в 1930 году разработал теорию квантования Ландау и заложил основу для теоретического объяснения квантового эффекта Холла , который был открыт полвека спустя. [29] : 458–460  [30]

Магнетизм как свойство материи был 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, что включало классификацию материалов как ферромагнитных , парамагнитных и диамагнитных на основе их реакции на намагничивание. [32] Пьер Кюри изучал зависимость намагниченности от температуры и открыл фазовый переход в точке Кюри в ферромагнитных материалах. [31] В 1906 году Пьер Вайс 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 совместно приобретали намагниченность. [31] Модель Изинга была решена точно, чтобы показать, что спонтанная намагниченность может происходить в одном измерении и что она возможна в решетках более высоких размерностей. Дальнейшие исследования, такие как исследования Блоха по спиновым волнам и Нееля по антиферромагнетизму, привели к разработке новых магнитных материалов с приложениями к магнитным запоминающим устройствам. [31] : 36–38, g48 

Современная физика многих тел

Магнит, левитирующий 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 для ферромагнетизма иллюстрируют успешное применение квантовой механики к проблемам конденсированного состояния в 1930-х годах. Однако все еще оставалось несколько нерешенных проблем, наиболее заметными из которых являются описание сверхпроводимости и эффекта Кондо . [35] После Второй мировой войны несколько идей из квантовой теории поля были применены к проблемам конденсированного состояния. Они включали распознавание 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 были заданы в терминах того, что сейчас называется квазичастицами Ландау. [35] Ландау также разработал теорию среднего поля для непрерывных фазовых переходов, которая описывала упорядоченные фазы как спонтанное нарушение симметрии . Теория также ввела понятие параметра порядка для различения упорядоченных фаз. [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 произвольно малое притяжение между двумя электронами с противоположным спином, опосредованное фононами в решетке, может привести к связанному состоянию, называемому куперовской парой . [37]

Квантовый эффект Холла : компоненты сопротивления Холла как функция внешнего магнитного поля [38] : рис. 14 

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

Квантовый эффект Холла был открыт Клаусом фон Клитцингом , Дорда и Пеппером в 1980 году, когда они наблюдали, что проводимость Холла является целым кратным фундаментальной константы (см. рисунок). Было обнаружено, что эффект не зависит от таких параметров, как размер системы и примеси. [38] В 1981 году теоретик Роберт Лафлин предложил теорию, объясняющую неожиданную точность интегрального плато. Она также подразумевала, что проводимость Холла пропорциональна топологическому инварианту, называемому числом Черна , значимость которого для зонной структуры твердых тел была сформулирована Дэвидом Дж. Таулессом и его коллегами. [40] [41] : 69, 74  Вскоре после этого, в 1982 году, Хорст Штёрмер и Даниэль Цуй наблюдали дробный квантовый эффект Холла , где проводимость теперь была рациональным кратным константы . В 1983 году Лафлин понял, что это было следствием взаимодействия квазичастиц в состояниях Холла, и сформулировал вариационный метод решения, названный волновой функцией Лафлина . [42] Изучение топологических свойств дробного эффекта Холла остается активной областью исследований. [43] Спустя десятилетия вышеупомянутая топологическая зонная теория, выдвинутая Дэвидом Дж. Таулессом и его коллегами [44], была дополнительно расширена, 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] Было установлено, что высокотемпературные сверхпроводники являются примерами сильно коррелированных материалов, в которых 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 опубликовали препринты, в которых предполагалось, что гексаборид самария обладает свойствами топологического изолятора [49] в соответствии с более ранними теоретическими предсказаниями. [50] Поскольку гексаборид самария является установленным изолятором Кондо , т. е. 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 включает использование теоретических моделей для понимания свойств состояний материи. К ним относятся модели для изучения электронных свойств твердых тел, такие как модель Друде , зонная структура и теория функционала плотности . Теоретические модели также были разработаны для изучения физики фазовых переходов , такие как теория Гинзбурга-Ландау , критические показатели и использование математических методов квантовой теории поля и группы перенормировки . Современные теоретические исследования включают использование численных вычислений электронной структуры и математических инструментов для понимания таких явлений, как высокотемпературная сверхпроводимость , топологические фазы и калибровочные симметрии .

Возникновение

Теоретическое понимание физики конденсированного состояния тесно связано с понятием возникновения , при котором сложные ансамбли частиц ведут себя способами, кардинально отличающимися от их индивидуальных составляющих. [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 могут также возникать на границе раздела между материалами: одним из примеров является интерфейс алюмината лантана и титаната стронция , где два зонных изолятора соединены для создания проводимости и сверхпроводимости .

Электронная теория твёрдого тела

Металлическое состояние исторически было важным строительным блоком для изучения свойств твердых тел. [53] Первое теоретическое описание металлов было дано Паулем Друде в 1900 году с помощью модели Друде , которая объясняла электрические и тепловые свойства, описывая металл как идеальный газ недавно открытых тогда электронов . Он смог вывести эмпирический закон Видемана-Франца и получить результаты, находящиеся в близком согласии с экспериментами. [22] : 90–91  Эта классическая модель была затем улучшена Арнольдом Зоммерфельдом , который включил статистику Ферми-Дирака для электронов и смог объяснить аномальное поведение удельной теплоемкости металлов в закон Видемана-Франца . [22] : 101–103  В 1912 году структура кристаллических твердых тел была изучена Максом фон Лауэ и Паулем Книппингом, 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 для уравнения Шредингера с периодическим потенциалом, известное как теорема Блоха . [55]

Расчет электронных свойств металлов путем решения многочастичной волновой функции часто является вычислительно сложным, и, следовательно, для получения значимых предсказаний необходимы методы приближения. [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 улучшение модели Томаса-Ферми. Метод Хартри-Фока учитывал статистику обмена одночастичных электронных волновых функций. В общем случае очень сложно решить уравнение Хартри-Фока. Только случай свободного электронного газа 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 реалистичные описания объемных и поверхностных свойств металлов. Теория функционала плотности широко используется с 1970-х годов для расчетов зонной структуры различных твердых тел. [56]

Нарушение симметрии

Некоторые состояния материи демонстрируют нарушение симметрии , когда соответствующие законы физики обладают некоторой формой симметрии , которая нарушена. 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 БКШ , которое нарушает вращательную симметрию фазы U(1) . [57] [58]

Теорема Голдстоуна в квантовой теории поля утверждает, что в системе с нарушенной непрерывной симметрией могут существовать возбуждения с произвольно низкой энергией, называемые бозонами Голдстоуна . Например, в кристаллических твердых телах они соответствуют фононам , которые являются квантованными версиями колебаний решетки. [59]

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), где происходит резкое изменение порядка системы. Например, когда лед тает и становится водой, упорядоченная гексагональная кристаллическая структура льда изменяется на связанную водородом, подвижную структуру молекул воды.

В квантовых фазовых переходах температура устанавливается на абсолютном нулю , а нетермический управляющий параметр, 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]

Происходит два класса фазовых переходов: переходы первого рода и переходы второго рода или непрерывные переходы . Для последнего две фазы не сосуществуют при температуре перехода, также называемой критической точкой . Вблизи критической точки системы испытывают критическое поведение, при котором некоторые из их свойств, такие как длина корреляции , удельная теплоемкость и магнитная восприимчивость, расходятся экспоненциально. [60] Эти критические явления представляют собой серьезные проблемы для физиков, поскольку обычные макроскопические законы больше не действуют в этой области, и необходимо изобрести новые идеи и методы, чтобы найти новые законы, которые могут описать систему. [61] : 75ff 

Простейшей теорией, которая может описать непрерывные фазовые переходы, является теория Гинзбурга–Ландау , которая работает в так называемом приближении среднего поля . Однако она может лишь приблизительно объяснить непрерывный фазовый переход для сегнетоэлектриков и сверхпроводников I типа, который включает дальнодействующие микроскопические взаимодействия. Для других типов систем, которые включают короткодействующие взаимодействия вблизи критической точки, необходима лучшая теория. [62] : 8–11 

Вблизи критической точки флуктуации происходят в широком диапазоне масштабов, в то время как особенностью всей системы является масштабная инвариантность. Методы ренормгруппы последовательно усредняют флуктуации с самой короткой длиной волны на этапах, 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 попытки обнаружить новые свойства материалов. Такие зонды включают эффекты электрических и магнитных полей , измерение функций отклика , транспортных свойств и термометрию . [63] Обычно используемые экспериментальные методы включают спектроскопию с зондами, такими как рентгеновские лучи , инфракрасный свет и неупругое рассеяние нейтронов ; изучение термического отклика, такого как удельная теплоемкость и измерение переноса посредством тепловой и теплопроводности .

Изображение рентгеновской дифракционной картины кристалла белка

Рассеивание

Несколько экспериментов с конденсированными средами включают рассеяние экспериментального зонда, такого как рентгеновские лучи , оптические фотоны , нейтроны и т. д., на компонентах материала. Выбор рассеивающего зонда зависит от интересующей шкалы энергии наблюдения. Видимый свет имеет энергию в масштабе 1 электрон-вольт (эВ) и используется в качестве рассеивающего зонда для измерения изменений свойств материала, таких как диэлектрическая проницаемость и показатель преломления . Рентгеновские лучи имеют энергию порядка 10 кэВ и, следовательно, способны исследовать атомные масштабы длины и используются для измерения изменений плотности электронного заряда и кристаллической структуры. [64] : 33–34 

Нейтроны также могут зондировать атомные шкалы длины и используются для изучения рассеяния на ядрах и электронных спинах и намагниченности (так как нейтроны имеют спин, но не имеют заряда). Измерения кулоновского и моттовского рассеяния могут быть выполнены с использованием электронных пучков в качестве рассеивающих зондов. [64] : 33–34  [65] : 39–43  Аналогично, аннигиляция позитронов может использоваться как косвенное измерение локальной электронной плотности. [66] Лазерная спектроскопия является превосходным 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 действуют как термодинамические переменные , которые управляют состоянием, фазовыми переходами и свойствами материальных систем. [67] Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — это метод, с помощью которого внешние магнитные поля используются для нахождения резонансных мод отдельных ядер, тем самым предоставляя информацию об атомной, молекулярной и связевой структуре их окружения. Эксперименты ЯМР могут проводиться в магнитных полях с напряженностью до 60 тесла . Более сильные магнитные поля могут улучшить качество данных измерений ЯМР. [68] : 69  [69] : 185  Квантовые осцилляции — это еще один экспериментальный метод, в котором сильные магнитные поля используются для изучения свойств материалов, 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

Локальная структура , а также структура ближайших соседних атомов могут быть исследованы в конденсированном веществе с помощью методов магнитного резонанса, таких как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР), которые очень чувствительны к деталям окружения ядер и электронов посредством сверхтонкой связи. Как локализованные электроны, так и определенные стабильные или нестабильные изотопы ядер становятся зондом этих сверхтонких взаимодействий ), которые связывают электронный или ядерный спин с локальными электрическими и магнитными полями. Эти методы подходят для изучения дефектов, диффузии, фазовых переходов и магнитного порядка. Обычные экспериментальные методы включают ЯМР , ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР), имплантированные радиоактивные зонды, как в случае мюонной спиновой спектроскопии ( SR), мёссбауэровской спектроскопии , ЯМР и возмущенной угловой корреляции (PAC). PAC особенно идеально подходит для изучения фазовых изменений при экстремальных температурах выше 2000 °C из-за температурной независимости метода.

Холодные атомарные газы

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

Захват ультрахолодных атомов в оптических решетках является экспериментальным инструментом, обычно используемым в физике конденсированных сред, а также в атомной, молекулярной и оптической физике . Метод включает использование оптических лазеров для формирования интерференционной картины , которая действует как решетка , в которой ионы или атомы могут быть помещены при очень низких температурах. Холодные атомы в оптических решетках используются в качестве квантовых симуляторов , то есть они действуют как управляемые системы, которые могут моделировать поведение более сложных систем, таких как фрустрированные магниты . [71] В частности, они используются для проектирования одно-, двух- и трехмерных решеток для модели Хаббарда с заранее заданными параметрами и для изучения фазовых переходов для упорядочения антиферромагнитной 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 материи, первоначально предсказанного С. Н. Бозе и Альбертом Эйнштейном , в котором большое количество атомов занимают одно квантовое состояние . [74]

Приложения

Компьютерное моделирование наношестерен из молекул фуллерена . Есть надежда, что достижения в нанонауке приведут к машинам, работающим в молекулярном масштабе.

Исследования в области физики конденсированного состояния [43] [75] привели к появлению нескольких приложений для устройств, таких как разработка полупроводникового транзистора , [6] лазерной технологии, [61] магнитного хранения , жидких кристаллов , оптических волокон [76] и нескольких явлений, изучаемых 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 того, как будут завершены полезные вычисления. Эта серьезная проблема должна быть решена до того, как квантовые вычисления могут быть реализованы. Для решения этой проблемы в физике конденсированных сред предложено несколько многообещающих подходов, включая кубиты на основе перехода Джозефсона , спинтронные кубиты, использующие ориентацию спина магнитных материалов, и топологические неабелевы анионы из дробных квантовых состояний эффекта Холла. [78]

Физика конденсированного состояния также имеет важное применение в биомедицине , например, экспериментальный метод магнитно-резонансной томографии , который широко используется 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 предсказали в 1935 году [18] , что состояние металлического водорода существует при достаточно высоких давлениях (более 25 ГПа ), но это пока не наблюдалось.

Ссылки

  1. ^ "Теория физики конденсированных сред". Физический факультет Йельского университета . Получено 2023-11-30 .
  2. ^ "Вакансии в области физики конденсированных сред: Карьера в области физики конденсированных сред". Physics Today Jobs . Архивировано из оригинала 2009-03-27 . Получено 2010-11-01 .
  3. ^ "История физики конденсированных сред". Американское физическое общество . Получено 27 марта 2012 г.
  4. ^ "Физика конденсированных сред". Физический факультет Университета Колорадо в Боулдере . 26 апреля 2016 г. Получено 30 ноября 2023 г.
  5. ^ "Физика конденсированных сред и материалов". Айовский колледж свободных искусств и наук . Получено 30 ноября 2023 г.
  6. ^ abcd Cohen, Marvin L. (2008). "Essay: Fifty Years of Condensed Matter Physics". Physical Review Letters . 101 (25): 250001. Bibcode : 2008PhRvL.101y0001C. doi : 10.1103/PhysRevLett.101.250001. PMID  19113681. Получено 31 марта 2012 г.
  7. ^ ab Kohn, W. (1999). "Очерк физики конденсированных сред в двадцатом веке" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 71 (2): S59–S77. Bibcode :1999RvMPS..71...59K. doi :10.1103/RevModPhys.71.S59. Архивировано из оригинала (PDF) 25 августа 2013 г. . Получено 27 марта 2012 г. .
  8. ^ Кардона, Мануэль (31 августа 2005 г.). «Эйнштейн как отец физики твёрдого тела». arXiv : physics/0508237 .
  9. ^ Стоун, А. Дуглас (6 октября 2013 г.). Эйнштейн и квант: поиски доблестного шваба (первое издание). Princeton University Press. ISBN 978-0691139685. Получено 1 июня 2022 г. .
  10. ^ "Филипп Андерсон". Физический факультет . Принстонский университет . Получено 27 марта 2012 г.
  11. ^ Андерсон, Филип У. (ноябрь 2011 г.). «В фокусе: больше и разное». World Scientific Newsletter . 33 : 2.
  12. ^ Андерсон, Филип В. (2018-03-09). Основные понятия физики конденсированного состояния. CRC Press. ISBN 978-0-429-97374-1.
  13. ^ "Физика конденсированного состояния". 1963. Получено 20 апреля 2015 .
  14. ^ Мартин, Джозеф Д. (2015). «Что означает смена имени? Физика твердого тела, физика конденсированных сред и материаловедение» (PDF) . Физика в перспективе . 17 (1): 3–32. Bibcode :2015PhP....17....3M. doi :10.1007/s00016-014-0151-7. S2CID  117809375. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
  15. ^ Френкель, Дж. (1947). Кинетическая теория жидкостей . Oxford University Press.
  16. ^ abc Goodstein, David ; Goodstein, Judith (2000). "Richard Feynman and the History of Superconductivity" (PDF) . Physics in Perspective . 2 (1): 30. Bibcode :2000PhP.....2...30G. doi :10.1007/s000160050035. S2CID  118288008. Архивировано из оригинала (PDF) 17 ноября 2015 г. Получено 7 апреля 2012 г.
  17. ^ Дэви, Джон, ред. (1839). Собрание сочинений сэра Гемфри Дэви: Том II. Smith Elder & Co., Корнхилл. стр. 22.
  18. ^ Сильвера, Айзек Ф.; Коул, Джон У. (2010). «Металлический водород: самое мощное ракетное топливо из когда-либо существовавших». Журнал физики . 215 (1): 012194. Bibcode : 2010JPhCS.215a2194S. doi : 10.1088/1742-6596/215/1/012194 .
  19. ^ Роулинсон, Дж. С. (1969). «Томас Эндрюс и критическая точка». Nature . 224 (8): 541–543. Bibcode : 1969Natur.224..541R. doi : 10.1038/224541a0. S2CID  4168392.
  20. ^ Аткинс, Питер; де Паула, Хулио (2009). Элементы физической химии . Oxford University Press. ISBN 978-1-4292-1813-9.
  21. ^ Киттель, Чарльз (1996). Введение в физику твердого тела . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-11181-8.
  22. ^ abcd Hoddeson, Lillian (1992). Из хрустального лабиринта: главы из истории физики твердого тела. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-505329-6.
  23. ^ ab Kragh, Helge (2002). Квантовые поколения: история физики в двадцатом веке (переиздание). Princeton University Press. ISBN 978-0-691-09552-3.
  24. ^ van Delft, Dirk; Kes, Peter (сентябрь 2010 г.). "Открытие сверхпроводимости" (PDF) . Physics Today . 63 (9): 38–43. Bibcode :2010PhT....63i..38V. doi : 10.1063/1.3490499 . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09 . Получено 7 апреля 2012 г. .
  25. ^ Слихтер, Чарльз. «Введение в историю сверхпроводимости». Моменты открытия . Американский институт физики. Архивировано из оригинала 15 мая 2012 года . Получено 13 июня 2012 года .
  26. ^ Шмалиан, Йорг (2010). «Неудачные теории сверхпроводимости». Modern Physics Letters B. 24 ( 27): 2679–2691. arXiv : 1008.0447 . Bibcode : 2010MPLB...24.2679S. doi : 10.1142/S0217984910025280. S2CID  119220454.
  27. ^ Аройо, Моис, И.; Мюллер, Ульрих; Вондратчек, Ганс (2006). Историческое введение (PDF) . Международные таблицы по кристаллографии. Том A. С. 2–5. CiteSeerX 10.1.1.471.4170 . doi :10.1107/97809553602060000537. ISBN  978-1-4020-2355-2. Архивировано из оригинала (PDF) 2008-10-03 . Получено 2017-10-24 .{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  28. ^ Холл, Эдвин (1879). «О новом действии магнита на электрические токи». American Journal of Mathematics . 2 (3): 287–92. doi :10.2307/2369245. JSTOR  2369245. S2CID  107500183. Архивировано из оригинала 2007-02-08 . Получено 2008-02-28 .
  29. ^ Ландау, Л. Д.; Лифшиц, Э. М. (1977). Квантовая механика: нерелятивистская теория . Pergamon Press. ISBN 978-0-7506-3539-4.
  30. ^ Линдли, Дэвид (15.05.2015). «Фокус: Вехи — Случайное открытие приводит к стандарту калибровки». Физика . 8 : 46. doi :10.1103/Physics.8.46.
  31. ^ abcd Мэттис, Дэниел (2006). Теория магнетизма, упрощенная . World Scientific. ISBN 978-981-238-671-7.
  32. ^ Чаттерджи, Сабьясачи (август 2004 г.). «Гейзенберг и ферромагнетизм». Resonance . 9 (8): 57–66. doi :10.1007/BF02837578. S2CID  123099296. Получено 13 июня 2012 г.
  33. ^ Визинтин, Аугусто (1994). Дифференциальные модели гистерезиса. Springer. ISBN 978-3-540-54793-8.
  34. ^ Merali, Zeeya (2011). «Совместная физика: теория струн находит себе пару». Nature . 478 (7369): 302–304. Bibcode :2011Natur.478..302M. doi : 10.1038/478302a . PMID  22012369.
  35. ^ ab Coleman, Piers (2003). «Физика многих тел: незаконченная революция». Annales Henri Poincaré . 4 (2): 559–580. arXiv : cond-mat/0307004 . Bibcode : 2003AnHP....4..559C. CiteSeerX 10.1.1.242.6214 . doi : 10.1007/s00023-003-0943-9. S2CID  8171617. 
  36. ^ Каданофф, Лео, П. (2009). Фазы материи и фазовые переходы; от теории среднего поля к критическим явлениям (PDF) . Чикагский университет. Архивировано из оригинала (PDF) 2015-12-31 . Получено 2012-06-14 .{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  37. ^ ab Coleman, Piers (2016). Введение в физику многих тел. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-86488-6.
  38. ^ ab von Klitzing, Klaus (9 декабря 1985 г.). "Квантованный эффект Холла" (PDF) . Nobelprize.org . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
  39. ^ ab Фишер, Майкл Э. (1998). «Теория ренормализационной группы: ее основа и формулировка в статистической физике». Reviews of Modern Physics . 70 (2): 653–681. Bibcode :1998RvMP...70..653F. CiteSeerX 10.1.1.129.3194 . doi :10.1103/RevModPhys.70.653. 
  40. ^ Avron, Joseph E.; Osadchy, Daniel; Seiler, Ruedi (2003). «Топологический взгляд на квантовый эффект Холла». Physics Today . 56 (8): 38–42. Bibcode : 2003PhT....56h..38A. doi : 10.1063/1.1611351 .
  41. ^ Дэвид Дж. Таулесс (12 марта 1998 г.). Топологические квантовые числа в нерелятивистской физике . World Scientific. ISBN 978-981-4498-03-6.
  42. ^ Wen, Xiao-Gang (1992). "Theory of the edge states in Fractional quantum Hall effects" (PDF) . International Journal of Modern Physics C . 6 (10): 1711–1762. Bibcode :1992IJMPB...6.1711W. CiteSeerX 10.1.1.455.2763 . doi :10.1142/S0217979292000840. Архивировано из оригинала (PDF) 22 мая 2005 г. Получено 14 июня 2012 г. 
  43. ^ abcd Girvin, Steven M.; Yang, Kun (2019-02-28). Современная физика конденсированных сред. Cambridge University Press. ISBN 978-1-108-57347-4.
  44. ^ Thouless, DJ; Kohmoto, M.; Nightingale, MP; den Nijs, M. (1982-08-09). "Квантованная проводимость Холла в двумерном периодическом потенциале". Physical Review Letters . 49 (6): 405–408. Bibcode : 1982PhRvL..49..405T. doi : 10.1103/PhysRevLett.49.405 .
  45. ^ Кейн, CL; Меле, EJ (2005-11-23). ​​"Квантовый спиновый эффект Холла в графене". Physical Review Letters . 95 (22): 226801. arXiv : cond-mat/0411737 . Bibcode : 2005PhRvL..95v6801K. doi : 10.1103/PhysRevLett.95.226801. PMID  16384250. S2CID  6080059.
  46. ^ Хасан, МЗ; Кейн, КЛ (2010-11-08). «Коллоквиум: Топологические изоляторы». Reviews of Modern Physics . 82 (4): 3045–3067. arXiv : 1002.3895 . Bibcode :2010RvMP...82.3045H. doi :10.1103/RevModPhys.82.3045. S2CID  16066223.
  47. ^ Беднорц, Дж. Г., Мюллер, КА (1986), «Возможная сверхпроводимость при высоких температурах 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. ^ Quintanilla, Jorge; Hooley, Chris (июнь 2009). "The strong-correlations puzzle" (PDF) . Physics World . 22 (6): 32. Bibcode :2009PhyW...22f..32Q. doi :10.1088/2058-7058/22/06/38. Архивировано из оригинала (PDF) 6 сентября 2012 года . Получено 14 июня 2012 года .
  49. ^ Эжени Сэмюэл Райх (2012). «Надежды на поверхность экзотического изолятора». Nature . 492 (7428): 165. Bibcode :2012Natur.492..165S. doi : 10.1038/492165a . PMID  23235853.
  50. ^ Dzero, V.; K. Sun; V. Galitski; P. Coleman (2010). "Топологические изоляторы Кондо". Physical Review Letters . 104 (10): 106408. arXiv : 0912.3750 . Bibcode : 2010PhRvL.104j6408D. doi : 10.1103/PhysRevLett.104.106408. PMID  20366446. S2CID  119270507.
  51. ^ "Понимание возникновения". Национальный научный фонд . Получено 30 марта 2012 г.
  52. ^ Левин, Майкл; Вэнь, Сяо-Ган (2005). «Коллоквиум: Фотоны и электроны как возникающие явления». Reviews of Modern Physics . 77 (3): 871–879. arXiv : cond-mat/0407140 . Bibcode :2005RvMP...77..871L. doi :10.1103/RevModPhys.77.871. S2CID  117563047.
  53. ^ ab Нил В. Эшкрофт; Н. Дэвид Мермин (1976). Физика твердого тела . Saunders College. ISBN 978-0-03-049346-1.
  54. ^ Экерт, Майкл (2011). «Спорное открытие: начало рентгеновской дифракции в кристаллах в 1912 году и его последствия». Acta Crystallographica A. 68 ( 1): 30–39. Bibcode : 2012AcCrA..68...30E. doi : 10.1107/S0108767311039985 . PMID  22186281.
  55. ^ Хан, Чон Хун (2010). Физика твердого тела (PDF) . Университет Сонгюнкван. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-05-20.
  56. ^ ab Perdew, John P.; Ruzsinszky, Adrienn (2010). "Fourteen Easy Lessons in Density Functional Theory" (PDF) . International Journal of Quantum Chemistry . 110 (15): 2801–2807. doi : 10.1002/qua.22829 . Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09 . Получено 13 мая 2012 .
  57. ↑ Намбу, Ёитиро (8 декабря 2008 г.). «Спонтанное нарушение симметрии в физике элементарных частиц: случай перекрестного опыления». Nobelprize.org .
  58. ^ Грейтер, Мартин (16 марта 2005 г.). «Нарушается ли электромагнитная калибровочная инвариантность спонтанно в сверхпроводниках?». Annals of Physics . 319 (2005): 217–249. arXiv : cond-mat/0503400 . Bibcode : 2005AnPhy.319..217G. doi : 10.1016/j.aop.2005.03.008. S2CID  55104377.
  59. ^ Leutwyler, H. (1997). «Фононы как бозоны Голдстоуна». Helv. Phys. Acta . 70 (1997): 275–286. arXiv : hep-ph/9609466 . Bibcode :1996hep.ph....9466L.
  60. ^ ab Vojta, Matthias (2003). «Квантовые фазовые переходы». Reports on Progress in Physics . 66 (12): 2069–2110. arXiv : cond-mat/0309604 . Bibcode :2003RPPh...66.2069V. CiteSeerX 10.1.1.305.3880 . doi :10.1088/0034-4885/66/12/R01. S2CID  15806867. 
  61. ^ abcd Физика конденсированного состояния, Физика через 1990-е годы. Национальный исследовательский совет. 1986. doi :10.17226/626. ISBN 978-0-309-03577-4.
  62. ^ Малкольм Ф. Коллинз Профессор физики Университета Макмастера (1989-03-02). Магнитное критическое рассеяние . Oxford University Press, США. ISBN 978-0-19-536440-8.
  63. ^ Ричардсон, Роберт С. (1988). Экспериментальные методы в физике конденсированных сред при низких температурах . Эддисон-Уэсли. ISBN 978-0-201-15002-5.
  64. ^ ab Chaikin, PM; Lubensky, TC (1995). Принципы физики конденсированных сред . Cambridge University Press. 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. ^ Siegel, RW (1980). "Спектроскопия аннигиляции позитронов". Annual Review of Materials Science . 10 : 393–425. Bibcode :1980AnRMS..10..393S. doi :10.1146/annurev.ms.10.080180.002141.
  67. ^ Комитет по установкам для физики конденсированных сред (2004). "Отчет рабочей группы IUPAP по установкам для физики конденсированных сред: сильные магнитные поля" (PDF) . Международный союз чистой и прикладной физики. Архивировано из оригинала (PDF) 22.02.2014 . Получено 07.02.2016 . Магнитное поле — это не просто спектроскопический инструмент, а термодинамическая переменная, которая, наряду с температурой и давлением, управляет состоянием, фазовыми переходами и свойствами материалов.
  68. ^ ab Комитет по оценке текущего состояния и будущего направления науки о сильных магнитных полях в Соединенных Штатах; Совет по физике и астрономии; Отделение инженерных и физических наук; Национальный исследовательский совет (25 ноября 2013 г.). Наука о сильных магнитных полях и ее применение в Соединенных Штатах: текущее состояние и будущее направления. National Academies Press. doi : 10.17226/18355. ISBN 978-0-309-28634-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  69. ^ Moulton, WG; Reyes, AP (2006). "Ядерный магнитный резонанс в твердых телах в очень сильных магнитных полях". В Herlach, Fritz (ред.). Сильные магнитные поля . Наука и технологии. World Scientific. ISBN 978-981-277-488-0.
  70. ^ Дуарон-Лейро, Николя и др. (2007). «Квантовые осцилляции и поверхность Ферми в недодопированном высокотемпературном сверхпроводнике». Nature . 447 (7144): 565–568. arXiv : 0801.1281 . Bibcode :2007Natur.447..565D. doi :10.1038/nature05872. PMID  17538614. S2CID  4397560.
  71. ^ Булута, Юлия; Нори, Франко (2009). «Квантовые симуляторы». Science . 326 (5949): 108–11. Bibcode :2009Sci...326..108B. doi :10.1126/science.1177838. PMID  19797653. S2CID  17187000.
  72. ^ Грейнер, Маркус; Фёллинг, Саймон (2008). «Физика конденсированного состояния: Оптические решетки». Nature . 453 (7196): 736–738. Bibcode :2008Natur.453..736G. doi :10.1038/453736a. PMID  18528388. S2CID  4572899.
  73. ^ Якш, Д.; Цоллер, П. (2005). «Холодный атом Хаббарда». Annals of Physics . 315 (1): 52–79. arXiv : cond-mat/0410614 . Bibcode : 2005AnPhy.315...52J. CiteSeerX 10.1.1.305.9031 . doi : 10.1016/j.aop.2004.09.010. S2CID  12352119. 
  74. ↑ Гланц, Джеймс (10 октября 2001 г.). «3 исследователя из США получили Нобелевскую премию по физике». The New York Times . Получено 23 мая 2012 г.
  75. ^ Коулман, Пирс (2015). Введение в физику многих тел. Cambridge Core. doi :10.1017/CBO9781139020916. ISBN 9780521864886. Получено 2020-04-20 .
  76. ^ "Конденсированное вещество". Physics Pantheon . Получено 2023-11-30 .
  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 конденсированных сред и материалов: наука о мире вокруг нас. National Academies Press. doi : 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 Yeh, Nai-Chang (2008). "Перспектива передовых рубежей в современной физике конденсированных сред" (PDF) . Бюллетень AAPPS . 18 (2) . Получено 19 июня 2018 г. .
  79. ^ Кудернац, Тибор; Руангсупапичат, Ноппорн; Паршау, Манфред; Масиа, Беатрис; Катсонис, Натали; Арутюнян, Сюзанна Р.; Эрнст, Карл-Хайнц; Феринга, Бен Л. (01.11.2011). «Электрически управляемое направленное движение четырехколесной молекулы на металлической поверхности». Nature . 479 (7372): 208–211. Bibcode :2011Natur.479..208K. doi :10.1038/nature10587. ISSN  1476-4687. PMID  22071765. S2CID  6175720.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки