Yoğun madde fiziği - Condensed matter physics

Yoğunlaştırılmış madde fiziği alanı olan fizik bu makroskopik ve mikroskopik olarak fiziksel özelliklere sahip fiyatlar madde , özellikle , katı ve sıvı fazlar ortaya çıkan elektromanyetik arasındaki kuvvetlerin atomu . Daha genel olarak konu, maddenin "yoğun" evreleri ile ilgilidir: aralarında güçlü etkileşimler olan birçok bileşenden oluşan sistemler. Daha egzotik yoğunlaştırılmış faz da ihtiva süperiletken düşük, bazı malzemeler tarafından sergilenen fazı sıcaklığında , ferromanyetik ve antiferromanyetik aşamaları spin üzerinde kristal kafeslerindeki atomlu ve Bose-Einstein kondensat içerisinde bulunan ultracold atom sistemleri. Yoğun madde fizikçiler çeşitli malzeme özelliklerinin ölçülmesi için deneyler bu fazların davranışlarını anlamak için aramak ve uygulayarak fiziksel yasaları arasında kuantum mekaniği , elektromanyetizma , istatistiksel mekanik ve diğer teoriler matematiksel modeller geliştirmek.

Çalışma için mevcut olan sistemlerin ve fenomenlerin çeşitliliği, yoğun madde fiziğini çağdaş fiziğin en aktif alanı haline getirir: tüm Amerikalı fizikçilerin üçte biri , yoğun madde fizikçileri olarak kendilerini tanımlar ve Yoğun Madde Fiziği Bölümü, Amerikan Fizik Enstitüsü'nün en büyük bölümüdür. toplum . Alan kimya , malzeme bilimi , mühendislik ve nanoteknoloji ile örtüşür ve atom fiziği ve biyofizik ile yakından ilgilidir . Teorik fizik yoğun madde paylarının önemli kavramlar ve o ile yöntemleri parçacık fiziği ve nükleer fizik .

Fizikte kristalografi , metalurji , elastikiyet , manyetizma vb. gibi çeşitli konular, katı hal fiziği olarak gruplandırıldıklarında 1940'lara kadar farklı alanlar olarak ele alındı . 1960'larda, sıvıların fiziksel özelliklerinin incelenmesi bu listeye eklendi ve yoğun madde fiziğinin daha kapsamlı uzmanlığının temelini oluşturdu. Bell Telefon Laboratuarı yoğun madde fiziği alanında bir araştırma programı yürütmek için ilk kurumlardan biriydi.

etimoloji

Fizikçi göre Philip Warren Anderson , çalışmanın bir alan belirlemek için dönem "yoğun madde" kullanımı onu ve tarafından icat edildi Volker Heine onlar kendi grubunun adını değiştirdi zaman, Cavendish Laboratories , Cambridge dan Katı hal teorisi için Teorisi Sıvılara, nükleer maddeye ve benzerlerine olan ilgilerini daha iyi içerdiğini düşündükleri için 1967'de Yoğun Maddenin kitabını yayınladılar. Anderson ve Heine, "yoğun madde" adının popülerleşmesine yardımcı olsalar da, birkaç yıldır Avrupa'da, en belirgin olarak 1963'te yayınlanan Springer-Verlag'ın Physics of Condensed Matter dergisinde kullanılıyordu. "Yoğun madde fiziği" adı, ortak noktayı vurguladı. katılar, sıvılar, plazmalar ve diğer karmaşık maddeler üzerinde çalışan fizikçilerin karşılaştığı bilimsel problemlerin bir parçasıydı, oysa "katı hal fiziği" genellikle metallerin ve yarı iletkenlerin sınırlı endüstriyel uygulamalarıyla ilişkilendirildi. 1960'larda ve 70'lerde bazı fizikçiler, daha kapsamlı bir ismin zamanın finansman ortamına ve Soğuk Savaş siyasetine daha uygun olduğunu düşündüler .

"Yoğunlaştırılmış" durumlara yapılan referanslar daha önceki kaynaklara kadar izlenebilir. Örneğin , Yakov Frenkel , 1947 tarihli Sıvıların Kinetik Teorisi kitabının girişinde , "Sıvıların kinetik teorisi buna göre katı cisimlerin kinetik teorisinin bir genellemesi ve uzantısı olarak geliştirilmelidir. onları 'yoğun cisimler' başlığı altında birleştirmek daha doğru olacaktır".

Yoğun madde fiziğinin tarihi

klasik fizik

Heike Kamerlingh Onnes ve Waals der Johannes van ile helyum liquefactor 1908 yılında Leiden

Maddenin yoğun halleriyle ilgili ilk çalışmalardan biri, on dokuzuncu yüzyılın ilk on yıllarında İngiliz kimyager Humphry Davy tarafından yapıldı . Davy , o zamanlar bilinen kırk kimyasal elementten yirmi altısının parlaklık , süneklik ve yüksek elektriksel ve termal iletkenlik gibi metalik özelliklere sahip olduğunu gözlemledi . Bu atomlar göstermiştir John Dalton 'in atom teorisi Dalton talep edilen bölünmez değildi, ama iç yapıya sahipti. Davy ayrıca, nitrojen ve hidrojen gibi gaz olduğuna inanılan elementlerin doğru koşullar altında sıvılaştırılabileceğini ve daha sonra metal gibi davranacağını iddia etti .

1823'te, o zamanlar Davy'nin laboratuvarında asistan olan Michael Faraday , kloru başarıyla sıvılaştırdı ve nitrojen, hidrojen ve oksijen dışında bilinen tüm gaz halindeki elementleri sıvılaştırmaya devam etti . Kısa bir süre sonra, 1869'da İrlandalı kimyager Thomas Andrews , bir sıvıdan gaza faz geçişini inceledi ve bir gaz ve bir sıvının fazlar olarak ayırt edilemez olduğu durumu tanımlamak için kritik nokta terimini türetti ve Hollandalı fizikçi Johannes van der Waals , çok daha yüksek sıcaklıklarda ölçümlere dayalı kritik davranışın tahmin edilmesini sağlayan teorik çerçeve. 1908'de James Dewar ve Heike Kamerlingh Onnes sırasıyla hidrojeni ve ardından yeni keşfedilen helyumu sıvılaştırmayı başardılar .

1900'de Paul Drude , metalik bir katı içinde hareket eden klasik bir elektron için ilk teorik modeli önerdi . Drude'un modeli metallerin özelliklerini serbest elektron gazı cinsinden tanımladı ve Wiedemann-Franz yasası gibi ampirik gözlemleri açıklayan ilk mikroskobik modeldi . Bununla birlikte, Drude'un serbest elektron modelinin başarısına rağmen, dikkate değer bir sorunu vardı: metallerin özgül ısı ve manyetik özelliklerine elektronik katkıyı ve düşük sıcaklıklarda özdirencin sıcaklığa bağımlılığını doğru bir şekilde açıklayamadı .

1911'de, helyumun ilk kez sıvılaştırılmasından üç yıl sonra , Leiden Üniversitesi'nde çalışan Onnes , cıvanın elektrik direncinin belirli bir değerin altındaki sıcaklıklarda kaybolmasını gözlemlediğinde cıvadaki süper iletkenliği keşfetti . Bu fenomen, zamanın en iyi teorik fizikçilerini tamamen şaşırttı ve birkaç on yıl boyunca açıklanamadı. Albert Einstein , 1922'de, çağdaş süperiletkenlik teorileri hakkında, "bileşik sistemlerin kuantum mekaniğine ilişkin geniş kapsamlı bilgisizliğimizle, bu belirsiz fikirlerden bir teori oluşturmaktan çok uzağız" dedi.

Kuantum mekaniğinin ortaya çıkışı

Drude'un klasik modeli Wolfgang Pauli , Arnold Sommerfeld , Felix Bloch ve diğer fizikçiler tarafından geliştirildi. Pauli, metaldeki serbest elektronların Fermi-Dirac istatistiklerine uyması gerektiğini fark etti . Bu fikri kullanarak 1926'da paramanyetizma teorisini geliştirdi . Kısa bir süre sonra Sommerfeld, Fermi-Dirac istatistiklerini serbest elektron modeline dahil etti ve ısı kapasitesini açıklamayı daha iyi hale getirdi. İki yıl sonra Bloch, periyodik bir kafes içindeki bir elektronun hareketini tanımlamak için kuantum mekaniğini kullandı . Auguste Bravais , Yevgraf Fyodorov ve diğerleri tarafından geliştirilen kristal yapıların matematiği, kristalleri simetri gruplarına göre sınıflandırmak için kullanıldı ve kristal yapı tabloları , ilk kez 1935'te yayınlanan Uluslararası Kristallografi Tabloları serisinin temelini oluşturdu . Bant yapısı hesaplamaları ilk kez yapıldı. 1930'da yeni malzemelerin özelliklerini tahmin etmek için kullanıldı ve 1947'de John Bardeen , Walter Brattain ve William Shockley elektronikte bir devrimi müjdeleyen ilk yarı iletken tabanlı transistörü geliştirdi .

Birinci bir kopyası noktasal transistörün içinde Bell laboratuarları

1879'da Johns Hopkins Üniversitesi'nde çalışan Edwin Herbert Hall , iletkendeki bir elektrik akımına çapraz iletkenler ve akıma dik manyetik alan arasında gelişen bir voltaj keşfetti. İletkendeki yük taşıyıcıların doğası gereği ortaya çıkan bu fenomen, Hall etkisi olarak adlandırıldı , ancak elektron 18 yıl sonrasına kadar deneysel olarak keşfedilmediği için o zamanlar tam olarak açıklanamadı. Kuantum mekaniğinin ortaya çıkışından sonra, 1930'da Lev Landau , Landau kuantizasyonu teorisini geliştirdi ve yarım yüzyıl sonra keşfedilen kuantum Hall etkisinin teorik açıklamasının temelini attı .

MÖ 4000'den beri Çin'de maddenin bir özelliği olarak manyetizma bilinmektedir. Bununla birlikte, manyetizmanın ilk modern çalışmaları, ancak on dokuzuncu yüzyılda Faraday, Maxwell ve diğerleri tarafından elektrodinamiğin geliştirilmesiyle başladı; bu , malzemeleri manyetizasyona tepkilerine göre ferromanyetik , paramanyetik ve diyamanyetik olarak sınıflandırmayı içeriyordu . Pierre Curie , manyetizasyonun sıcaklığa bağımlılığını inceledi ve ferromanyetik malzemelerde Curie noktası faz geçişini keşfetti . 1906'da Pierre Weiss , ferromıknatısların temel özelliklerini açıklamak için manyetik alan kavramını tanıttı . Manyetizmanın mikroskobik bir tanımına yönelik ilk girişim, Wilhelm Lenz ve Ernst Ising tarafından, manyetik malzemeleri toplu olarak manyetizasyon elde eden periyodik bir spin kafesinden oluşan olarak tanımlayan Ising modeli aracılığıyla yapıldı . Ising modeli, kendiliğinden mıknatıslanmanın tek boyutta olamayacağını, ancak daha yüksek boyutlu kafeslerde mümkün olduğunu göstermek için tam olarak çözüldü . Böyle üzerinde Bloch tarafından olduğu gibi daha fazla araştırma Spin dalgaları ve Neel üzerinde antiferromanyetizma için uygulamalarla yeni manyetik malzemelerin geliştirilmesi yol açtı manyetik depolama cihazlarının.

Modern çok vücut fiziği

Süper iletken bir malzeme üzerinde uçan bir mıknatıs.
Yüksek sıcaklıktaki bir süperiletkenin üzerinde yükselen bir mıknatıs . Bugün bazı fizikçiler, AdS/CFT yazışmalarını kullanarak yüksek sıcaklıktaki süper iletkenliği anlamaya çalışıyorlar.

Sommerfeld modeli ve ferromanyetizma için spin modelleri, 1930'larda kuantum mekaniğinin yoğun madde problemlerine başarılı bir şekilde uygulanmasını gösterdi. Bununla birlikte, hala çözülmemiş birkaç sorun vardı, özellikle de süperiletkenliğin tanımı ve Kondo etkisi . Sonra İkinci Dünya Savaşı , kuantum alan teorisi birkaç fikirler yoğunlaşmış madde problemlerine uygulanmıştır. Bunlar , katıların toplu uyarılma modlarının tanınmasını ve önemli bir quasiparticle kavramını içeriyordu . Rus fizikçi Lev Landau , etkileşen fermiyon sistemlerinin düşük enerji özelliklerinin şimdi Landau-yarıparçacıkları olarak adlandırılan şey cinsinden verildiği Fermi sıvı teorisi fikrini kullandı . Landau ayrıca , düzenli fazları simetrinin kendiliğinden bozulması olarak tanımlayan sürekli faz geçişleri için bir ortalama alan teorisi geliştirdi . Teori ayrıca, sıralı fazlar arasında ayrım yapmak için bir sıra parametresi kavramını ortaya koydu . Sonunda 1956'da John Bardeen , Leon Cooper ve John Schrieffer , kafesteki fononların aracılık ettiği zıt spinli iki elektron arasındaki keyfi olarak küçük çekimin bir bağlı duruma yol açabileceği keşfine dayanarak BCS süperiletkenlik teorisini geliştirdiler. bir Cooper çifti .

Kuantum Hall etkisi : Bileşenleri Hall özdirenç dış manyetik alanın bir fonksiyonu olarak

Kritik fenomenler olarak adlandırılan, faz geçişleri ve gözlemlenebilirlerin kritik davranışlarının incelenmesi , 1960'larda büyük bir ilgi alanıydı. Leo Kadanoff , Benjamin Widom ve Michael Fisher , kritik üsler ve widom ölçekleme fikirlerini geliştirdiler . Bu fikirler 1972'de Kenneth G. Wilson tarafından kuantum alan teorisi bağlamında renormalizasyon grubunun formalizmi altında birleştirildi .

Kuantum Hall etkisi tarafından keşfedilmiştir Klaus von Klitzing bir temel sabit katları tam sayı olduğu Hall iletkenliği gözlenen 1980, DORDA ve biber . (Şekil bakınız) etkisi, sistem büyüklüğü ve yabancı maddeler gibi parametrelerin bağımsız olduğu gözlenmiştir . 1981'de teorisyen Robert Laughlin , integral platonun beklenmedik kesinliğini açıklayan bir teori önerdi. Ayrıca Hall iletkenliğinin, katıların bant yapısıyla ilgisi David J. Thouless ve işbirlikçileri tarafından formüle edilen Chern sayısı adı verilen topolojik bir değişmezle orantılı olduğunu ima etti . Kısa bir süre sonra, 1982'de Horst Störmer ve Daniel Tsui , iletkenliğin artık sabitin rasyonel katı olduğu kesirli kuantum Hall etkisini gözlemledi . 1983 yılında Laughlin, bunun Hall durumlarındaki yarı parçacık etkileşiminin bir sonucu olduğunu fark etti ve Laughlin dalga fonksiyonu olarak adlandırılan değişken bir yöntem çözümü formüle etti . Kesirli Hall etkisinin topolojik özelliklerinin incelenmesi, aktif bir araştırma alanı olmaya devam etmektedir. Yıllar sonra, David J. Thouless ve işbirlikçileri tarafından geliştirilen yukarıda bahsedilen topolojik bant teorisi , topolojik yalıtkanların keşfine yol açacak şekilde daha da genişletildi .

1986'da Karl Müller ve Johannes Bednorz , 50 kelvin kadar yüksek sıcaklıklarda süper iletken olan bir malzeme olan ilk yüksek sıcaklık süper iletkenini keşfettiler . Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin, elektron-elektron etkileşimlerinin önemli bir rol oynadığı güçlü bir şekilde ilişkili malzemelerin örnekleri olduğu anlaşıldı. Yüksek sıcaklıklı süperiletkenlerin tatmin edici bir teorik açıklaması hala bilinmemektedir ve güçlü bir şekilde ilişkili malzemeler alanı aktif bir araştırma konusu olmaya devam etmektedir.

2009 yılında, David Field ve Aarhus Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, çeşitli gazlardan oluşan sıradan filmler oluştururken kendiliğinden elektrik alanları keşfettiler . Bu, son zamanlarda spontelektriklerin araştırma alanını oluşturacak şekilde genişlemiştir .

2012'de birkaç grup , daha önceki teorik tahminlerle uyumlu olarak samaryum hekzaborürün topolojik bir yalıtkan özelliklerine sahip olduğunu öne süren ön baskılar yayınladı . Samaryum heksaborid yerleşik bir Kondo yalıtkanı olduğundan , yani güçlü korelasyonlu bir elektron malzemesi olduğundan, bu malzemede topolojik bir Dirac yüzey durumunun varlığının güçlü elektronik korelasyonlara sahip topolojik bir yalıtkana yol açması beklenir.

Teorik

Teorik yoğun madde fiziği, maddenin hallerinin özelliklerini anlamak için teorik modellerin kullanımını içerir. Bunlar, Drude modeli , bant yapısı ve yoğunluk fonksiyonel teorisi gibi katıların elektronik özelliklerini incelemek için modelleri içerir . Ginzburg-Landau teorisi , kritik üsler ve kuantum alan teorisinin matematiksel yöntemlerinin ve renormalizasyon grubunun kullanımı gibi faz geçişlerinin fiziğini incelemek için teorik modeller de geliştirilmiştir . Modern teorik çalışmalar, yüksek sıcaklık süperiletkenliği , topolojik fazlar ve ayar simetrileri gibi fenomenleri anlamak için elektronik yapının ve matematiksel araçların sayısal hesaplamasının kullanılmasını içerir .

ortaya çıkış

Yoğun madde fiziğinin teorik olarak anlaşılması, ortaya çıkma kavramıyla yakından ilişkilidir , burada karmaşık parçacık toplulukları, bireysel bileşenlerinden önemli ölçüde farklı şekillerde davranır. Örneğin, tek tek elektronların ve kafeslerin mikroskobik fiziği iyi bilinmesine rağmen, yüksek sıcaklık süperiletkenliği ile ilgili bir dizi fenomen yeterince anlaşılmamıştır. Benzer şekilde, toplu uyarımların fotonlar ve elektronlar gibi davrandığı ve böylece elektromanyetizmanın ortaya çıkan bir fenomen olarak tanımlandığı yoğun madde sistemlerinin modelleri incelenmiştir . Ortaya çıkan özellikler, malzemeler arasındaki arayüzde de meydana gelebilir: bir örnek, iletkenlik, süper iletkenlik ve ferromanyetizma oluşturmak için manyetik olmayan iki yalıtkanın birleştirildiği lantan alüminat-stronsiyum titanat arayüzüdür .

Katıların elektronik teorisi

Metalik hal, tarihsel olarak katıların özelliklerini incelemek için önemli bir yapı taşı olmuştur. Metallerin ilk teorik tanımı 1900 yılında Paul Drude tarafından elektrik ve termal özellikleri bir metali o zamanlar yeni keşfedilen elektronların ideal gazı olarak tanımlayarak açıklayan Drude modeliyle verildi . Ampirik Wiedemann-Franz yasasını türetmeyi ve deneylerle yakın bir uyum içinde sonuçlar elde etmeyi başardı . Bu klasik model daha sonra elektronların Fermi-Dirac istatistiklerini birleştiren ve Wiedemann-Franz yasasında metallerin özgül ısısının anormal davranışını açıklayabilen Arnold Sommerfeld tarafından geliştirildi . 1912'de, Max von Laue ve Paul Knipping, kristallerin X-ışını kırınım modelini gözlemlediklerinde ve kristallerin yapılarını atomların periyodik kafeslerinden aldıkları sonucuna vardıklarında, kristal katıların yapısı üzerinde çalıştılar . 1928'de İsviçreli fizikçi Felix Bloch , Bloch teoremi olarak bilinen periyodik potansiyele sahip Schrödinger denklemine bir dalga fonksiyonu çözümü sağladı .

Çok cisimli dalga fonksiyonunu çözerek metallerin elektronik özelliklerini hesaplamak genellikle hesaplama açısından zordur ve bu nedenle anlamlı tahminler elde etmek için yaklaşım yöntemlerine ihtiyaç vardır. Thomas-Fermi teorisi 1920'li yıllarda, bir yerel elektron yoğunluğu işlenmesiyle sistem enerji ve elektronik yoğunluğu tahmin etmek için kullanıldı varyasyon parametresi . Daha sonra 1930'larda, Douglas Hartree , Vladimir Fock ve John Slater sözde geliştirdi Hartree-Fock dalga fonksiyonu Thomas-Fermi modeli üzerinde bir gelişme olarak. Hartree-Fock yöntemi , tek parçacık elektron dalga fonksiyonlarının değişim istatistiklerini açıkladı . Genel olarak, Hartree-Fock denklemini çözmek çok zordur. Sadece serbest elektron gazı durumu tam olarak çözülebilir. Nihayet 1964-65'te Walter Kohn , Pierre Hohenberg ve Lu Jeu Sham , metallerin hacim ve yüzey özellikleri için gerçekçi açıklamalar veren yoğunluk fonksiyonel teorisini önerdiler . Yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT), 1970'lerden beri çeşitli katıların bant yapısı hesaplamaları için yaygın olarak kullanılmaktadır.

simetri kırılması

Maddenin bazı halleri , ilgili fizik yasalarının kırılmış bir simetri biçimine sahip olduğu simetri kırılması sergiler . Yaygın bir örnek, sürekli öteleme simetrisini bozan kristal katılardır . Diğer örnekler , dönme simetrisini kıran manyetize ferromanyetleri ve bir BCS süper iletkeninin temel durumu gibi U(1) faz dönme simetrisini kıran daha egzotik durumları içerir .

Kuantum alan teorisindeki Goldstone teoremi , kırık sürekli simetriye sahip bir sistemde, Goldstone bozonları olarak adlandırılan, keyfi olarak düşük enerjili uyarımlar olabileceğini belirtir . Örneğin, kristal katılarda bunlar , kafes titreşimlerinin nicelenmiş versiyonları olan fononlara karşılık gelir .

Faz geçişi

Faz geçişi, sıcaklık gibi harici bir parametredeki değişiklikle meydana gelen bir sistemin faz değişikliğini ifade eder . Klasik faz geçişi, sistemin düzeni bozulduğunda sonlu sıcaklıkta gerçekleşir. Örneğin buz eriyip su haline geldiğinde düzenli kristal yapı bozulur.

Olarak kuantum faz geçişleri , sıcaklık ayarlanır mutlak sıfır , ve düzen ile yok edilir, böyle bir basınç veya manyetik alan gibi ısıl olmayan kontrol parametresi, faz geçiş yapılmasına neden olur kuantum dalgalanmalar menşeyli Heisenberg belirsizlik prensibi . Burada, sistemin farklı kuantum fazları , Hamilton matrisinin farklı temel durumlarına atıfta bulunur . Kuantum faz geçişinin davranışını anlamak, nadir toprak manyetik yalıtkanlarının, yüksek sıcaklıklı süper iletkenlerin ve diğer maddelerin özelliklerini açıklamanın zor görevlerinde önemlidir.

İki sınıf faz geçişi meydana gelir: birinci dereceden geçişler ve ikinci dereceden veya sürekli geçişler . İkincisi için, ilgili iki faz, kritik nokta olarak da adlandırılan geçiş sıcaklığında bir arada bulunmaz . Kritik noktanın yakınında sistemler, korelasyon uzunluğu , özgül ısı ve manyetik duyarlılık gibi özelliklerinin birçoğunun katlanarak ayrıldığı kritik davranışa maruz kalır. Bu kritik fenomenler fizikçiler için ciddi zorluklar arz etmektedir çünkü normal makroskopik kanunlar bölgede artık geçerli değildir ve sistemi tanımlayabilecek yeni kanunları bulmak için yeni fikirler ve yöntemler icat edilmelidir.

Sürekli faz geçişlerini tanımlayabilen en basit teori, ortalama alan yaklaşımı denen yöntemle çalışan Ginzburg-Landau teorisidir . Bununla birlikte, uzun menzilli mikroskobik etkileşimler içeren ferroelektrikler ve tip I süper iletkenler için sürekli faz geçişini kabaca açıklayabilir. Kritik noktanın yakınında kısa menzilli etkileşimleri içeren diğer sistem türleri için daha iyi bir teoriye ihtiyaç vardır.

Kritik noktanın yakınında, tüm sistemin özelliği ölçekte değişmezken, dalgalanmalar geniş bir boyut ölçeği aralığında gerçekleşir. Renormalizasyon grubu yöntemleri, etkilerini bir sonraki aşamaya kadar korurken, aşamalardaki en kısa dalga boyu dalgalanmalarını art arda ortalamasını alır. Böylece, farklı boyut ölçeklerinde bakıldığında fiziksel bir sistemin değişimleri sistematik olarak araştırılabilir. Güçlü bilgisayar simülasyonu ile birlikte yöntemler, sürekli faz geçişi ile ilgili kritik olayların açıklanmasına büyük ölçüde katkıda bulunur.

Deneysel

Deneysel yoğun madde fiziği, malzemelerin yeni özelliklerini keşfetmeye çalışmak için deneysel sondaların kullanılmasını içerir. Bu tür sondalar, elektrik ve manyetik alanların etkilerini, yanıt işlevlerini ölçmeyi , taşıma özelliklerini ve termometriyi içerir . Yaygın olarak kullanılan deneysel yöntemler arasında X-ışınları , kızılötesi ışık ve esnek olmayan nötron saçılımı gibi problarla spektroskopi ; Spesifik ısı ve termal ve ısı iletimi yoluyla taşımanın ölçülmesi gibi termal tepkinin incelenmesi .

Bir protein kristalinden X-ışını kırınım deseninin görüntüsü .

Saçılma

Birkaç yoğun madde deneyi , bir malzemenin bileşenleri üzerinde X-ışını , optik fotonlar , nötronlar vb. gibi deneysel bir sondanın saçılmasını içerir . Saçılma sondasının seçimi, ilgilenilen gözlem enerjisi ölçeğine bağlıdır. Görünür ışık , 1 elektron volt (eV) ölçeğinde enerjiye sahiptir ve dielektrik sabiti ve kırılma indisi gibi malzeme özelliklerindeki değişiklikleri ölçmek için saçılma sondası olarak kullanılır . X-ışınları 10 keV mertebesinde enerjiye sahiptir ve bu nedenle atomik uzunluk ölçeklerini inceleyebilir ve elektron yük yoğunluğundaki değişimleri ölçmek için kullanılır.

Nötronlar ayrıca atomik uzunluk ölçeklerini de inceleyebilir ve çekirdekten saçılmayı ve elektron dönüşlerini ve manyetizasyonu incelemek için kullanılır (nötronların dönüşü vardır ancak yükü yoktur). Coulomb ve Mott saçılım ölçümleri, saçılma probları olarak elektron ışınları kullanılarak yapılabilir. Benzer şekilde, pozitron imhası, yerel elektron yoğunluğunun dolaylı bir ölçümü olarak kullanılabilir. Lazer spektroskopisi , örneğin doğrusal olmayan optik spektroskopi ile ortamdaki yasak geçişleri incelemek için bir ortamın mikroskobik özelliklerini incelemek için mükemmel bir araçtır .

Dış manyetik alanlar

Deneysel yoğun madde fiziğinde, dış manyetik alanlar , malzeme sistemlerinin durumunu, faz geçişlerini ve özelliklerini kontrol eden termodinamik değişkenler olarak hareket eder . Nükleer manyetik rezonans (NMR), bireysel elektronların rezonans modlarını bulmak için harici manyetik alanların kullanıldığı, böylece komşularının atomik, moleküler ve bağ yapısı hakkında bilgi veren bir yöntemdir. Kuvveti 60 Tesla'ya kadar olan manyetik alanlarda NMR deneyleri yapılabilmektedir . Daha yüksek manyetik alanlar, NMR ölçüm verilerinin kalitesini iyileştirebilir. Kuantum salınımları , Fermi yüzeyinin geometrisi gibi malzeme özelliklerini incelemek için yüksek manyetik alanların kullanıldığı başka bir deneysel yöntemdir . Yüksek manyetik alanlar, nicelenmiş manyetoelektrik etki , görüntü manyetik monopol ve yarı tamsayılı kuantum Hall etkisi gibi çeşitli teorik tahminlerin deneysel olarak test edilmesinde faydalı olacaktır .

nükleer spektroskopi

Yerel yapı Yoğun madde, en yakın komşu atomu yapısı, yöntemleriyle araştırılabilir nükleer spektroskopi , küçük değişikliklere çok hassastırlar. Spesifik ve radyoaktif çekirdekler kullanarak , çekirdek , çevresindeki elektrik ve manyetik alanlarla ( aşırı ince etkileşimler ) etkileşime giren sonda haline gelir . Yöntemler kusurları, difüzyonu, faz değişimini, manyetizmayı incelemek için uygundur. Yaygın yöntemler, örneğin NMR , Mössbauer spektroskopisi veya pertürbed açısal korelasyondur (PAC). Özellikle PAC, yöntemin sıcaklığa bağlı olmaması nedeniyle 2000 °C'nin üzerindeki aşırı sıcaklıklarda faz değişikliklerinin incelenmesi için idealdir.

Soğuk atomik gazlar

Ultra soğuk rubidyum atomlarından oluşan bir gazda gözlemlenen ilk Bose-Einstein yoğuşması . Mavi ve beyaz alanlar daha yüksek yoğunluğu temsil eder.

Optik kafeslerde ultra soğuk atom yakalama, yoğun madde fiziğinde ve atomik, moleküler ve optik fizikte yaygın olarak kullanılan deneysel bir araçtır . Yöntem, iyonların veya atomların çok düşük sıcaklıklarda yerleştirilebildiği bir kafes görevi gören bir girişim deseni oluşturmak için optik lazerlerin kullanılmasını içerir . Optik kafeslerdeki soğuk atomlar kuantum simülatörleri olarak kullanılırlar , yani sinirli mıknatıslar gibi daha karmaşık sistemlerin davranışını modelleyebilen kontrol edilebilir sistemler olarak hareket ederler . Özellikle, önceden belirlenmiş parametrelere sahip bir Hubbard modeli için bir, iki ve üç boyutlu kafesler tasarlamak ve antiferromanyetik ve spin sıvı sıralaması için faz geçişlerini incelemek için kullanılırlar .

1995 yılında, 170 nK sıcaklığa soğutulan rubidyum atomlarından oluşan bir gaz, başlangıçta SN Bose ve Albert Einstein tarafından tahmin edilen ve çok sayıda atomun bir kuantumu işgal ettiği yeni bir madde durumu olan Bose-Einstein yoğunlaşmasını deneysel olarak gerçekleştirmek için kullanıldı. devlet .

Uygulamalar

Fulleren moleküllerinden yapılmış nano dişlilerin bilgisayar simülasyonu . Nanobilimdeki ilerlemelerin moleküler ölçekte çalışan makinelere yol açması umulmaktadır.

Yoğun madde fiziğindeki araştırmalar, yarı iletken transistörün geliştirilmesi , lazer teknolojisi ve nanoteknoloji bağlamında incelenen birkaç fenomen gibi çeşitli cihaz uygulamalarına yol açmıştır . Gibi yöntemler taramalı tünelleme mikroskobu kontrol süreçlerine kullanılabilecek nanometre ölçeğinde ve nano fabrikasyon çalışmalarına yol açmıştır.

Olarak kuantum bilgisayar , bilgi kuantum bit ile temsil edilen bir qubits . Kübitler, faydalı hesaplama tamamlanmadan önce hızlı bir şekilde çözülebilir . Kuantum hesaplamanın gerçekleştirilebilmesi için bu ciddi problemin çözülmesi gerekiyor. Bu sorunu çözmek için, yoğun madde fiziğinde, Josephson eklem kübitleri, manyetik malzemelerin dönüş yönelimini kullanan spintronik kübitler veya kesirli kuantum Hall etkisi durumlarından topolojik Abelian olmayan anyonlar dahil olmak üzere birkaç umut verici yaklaşım önerilmiştir .

Yoğun madde fiziği , örneğin tıbbi teşhiste yaygın olarak kullanılan deneysel manyetik rezonans görüntüleme yöntemi gibi biyofizik için de önemli kullanımlara sahiptir .

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma

  • Anderson, Philip W. (2018-03-09). Yoğun Madde Fiziğinin Temel Kavramları . CRC Basın. ISBN  978-0-429-97374-1 .
  • Girvin, Steven M.; Yang, Kun (2019-02-28). Modern Yoğun Madde Fiziği . Cambridge Üniversitesi Yayınları. ISBN  978-1-108-57347-4 .
  • Coleman, İskeleler (2015). "Çok Beden Fiziğine Giriş". Cambridge Çekirdeği . 2020-04-18 alındı.
  • PM Chaikin ve TC Lubensky (2000). Yoğun Madde Fiziğinin Prensipleri , Cambridge University Press; 1. baskı, ISBN  0-521-79450-1
  • Mudry, Christopher (2014). Yoğun Madde Fiziğinde Alan Teorisi Ders Notları . Dünya Bilimsel. Bibcode : 2014lnft.book.....M . doi : 10.1142/8697 . ISBN'si 978-981-4449-10-6.
  • Khan, Abdul Qadeer (21 Kasım 1998). "Yoğun Madde Fiziğinde Boyutsal Anistrofi" (PDF) . Fizikte Sınırlar Üzerine Yedi Ulusal Sempozyum . 7. 7 (7) . 21 Ekim 2012 alındı .
  • Alexander Altland ve Ben Simons (2006). Yoğun Madde Alan Teorisi , Cambridge University Press, ISBN  0-521-84508-4 .
  • Michael P. Marder (2010). Yoğun Madde Fiziği, ikinci baskı , John Wiley and Sons, ISBN  0-470-61798-5 .
  • Lillian Hoddeson, Ernest Braun, Jürgen Teichmann ve Spencer Weart, ed. (1992). Kristal Labirentin Dışında: Katı Hal Fiziği Tarihinden Bölümler , Oxford University Press, ISBN  0-19-505329-X .

Dış bağlantılar