Физика твердого тела — это изучение твердого вещества или твердых тел с помощью таких методов, как химия твердого тела , квантовая механика , кристаллография , электромагнетизм и металлургия . Это крупнейшая ветвь физики конденсированного состояния . Физика твердого тела изучает, как крупномасштабные свойства твердых материалов являются результатом их атомных свойств. Таким образом, физика твердого тела образует теоретическую основу материаловедения . Наряду с химией твердого тела она также имеет прямые приложения в технологии транзисторов и полупроводников .
Твердые материалы образуются из плотно упакованных атомов, которые интенсивно взаимодействуют. Эти взаимодействия создают механические (например, твердость и упругость ), тепловые , электрические , магнитные и оптические свойства твердых тел. В зависимости от материала и условий, в которых он был сформирован, атомы могут быть расположены в правильной геометрической форме ( кристаллические твердые тела , которые включают 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 различные формы. Например, в кристалле хлорида натрия (поваренная соль) кристалл состоит из ионных натрия и хлора и удерживается вместе ионными связями . В других атомы делят электроны и образуют ковалентные связи . В металлах электроны распределяются между всем кристаллом в металлических связях . Наконец, благородные газы не подвергаются ни одному из этих типов связей. В твердом состоянии благородные газы удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса , возникающими в результате поляризации электронного зарядового облака на каждом атоме. Различия между типами твердых тел являются результатом различий в их связях.
Физические свойства твердых тел были обычными предметами научных исследований на протяжении столетий, но отдельная область, известная как физика твердого тела, появилась только в 1940-х годах , в частности, с созданием Отделения физики твердого тела (DSSP) в Американском физическом обществе . DSSP обслуживал промышленных физиков, и физика твердого тела стала ассоциироваться с технологическими приложениями, которые стали возможны благодаря исследованиям твердых тел. К началу 1960-х годов DSSP стало крупнейшим подразделением Американского физического общества. [1] [2]
Большие 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 важной областью благодаря исследованиям полупроводников , сверхпроводимости , ядерного магнитного резонанса и различных других явлений. В начале холодной войны исследования в области физики твердого тела часто не ограничивались твердыми телами, что привело некоторых физиков в 1970-х и 1980-х годах к основанию области физики конденсированного состояния , которая была организована вокруг общих методов, используемых для исследования твердых тел, жидкостей, плазмы и других сложных веществ. [1] Сегодня физика твердого тела широко считается подобластью физики конденсированного состояния, часто называемой жестким конденсированным состоянием, которая фокусируется на свойствах твердых тел с регулярными кристаллическими решетками.
Многие свойства материалов зависят от их кристаллической структуры . Эту структуру можно исследовать с помощью ряда кристаллографических методов, включая рентгеновскую кристаллографию , нейтронную дифракцию и электронную дифракцию .
Размеры отдельных кристаллов в кристаллическом твердом материале различаются в зависимости от материала и условий, в которых он был сформирован. Большинство кристаллических материалов, встречающихся в повседневной жизни, являются поликристаллическими , причем отдельные кристаллы имеют микроскопические размеры, но макроскопические монокристаллы могут быть получены как естественным путем (например, алмазы ), так и искусственным путем.
Реальные кристаллы характеризуются дефектами или неровностями в идеальных структурах, и именно эти дефекты критически определяют многие электрические и механические свойства реальных материалов.
Такие свойства материалов, 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» классических невзаимодействующих электронов, модель Друде смогла объяснить электро- и теплопроводность , а также эффект Холла в металлах, хотя она значительно 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, подчиняющихся квантово-механической статистике Ферми-Дирака . Модель свободных электронов дала улучшенные предсказания для теплоемкости металлов, однако она не смогла объяснить существование изоляторов .
Модель почти свободных электронов является модификацией модели свободных электронов, которая включает слабое периодическое возмущение , призванное моделировать взаимодействие 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 Шредингера 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, это использование теоремы Блоха является лишь приближением, но оно оказалось чрезвычайно ценным приближением, без которого большинство анализов физики твердого тела было бы неразрешимым. Отклонения от периодичности рассматриваются квантово-механической теорией возмущений .
Современные темы исследований в области физики твердого тела включают:
