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Física de la Materia Condensada
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Estados de materia
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Fenómenos de fase
Parámetro de orden  · Transición de fase  · QCP
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Efecto Hall cuántico  · Efecto Spin Hall  · Efecto Kondo
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La física de la materia condensada es el campo de la física que se ocupa de las propiedades físicas macroscópicas y microscópicas de la materia , especialmente las fases sólida y líquida que surgen de las fuerzas electromagnéticas entre átomos . De manera más general, el tema trata de fases "condensadas" de la materia: sistemas de muchos constituyentes con fuertes interacciones entre ellos. Las fases condensadas más exóticas incluyen la fase superconductora exhibida por ciertos materiales a baja temperatura , las fases ferromagnética y antiferromagnética de espines enredes cristalinas de átomos y el condensado de Bose-Einstein que se encuentra en sistemas atómicos ultrafríos . Los físicos de la materia condensada buscan comprender el comportamiento de estas fases mediante experimentos para medir varias propiedades de los materiales y aplicando las leyes físicas de la mecánica cuántica , el electromagnetismo , la mecánica estadística y otras teorías para desarrollar modelos matemáticos.

La diversidad de sistemas y fenómenos disponibles para el estudio hace que la física de la materia condensada sea el campo más activo de la física contemporánea: un tercio de todos los físicos estadounidenses se identifican a sí mismos como físicos de la materia condensada, [1] y la División de Física de la Materia Condensada es la división más grande en la Sociedad Estadounidense de Física . [2] El campo se superpone con la química , la ciencia de los materiales , la ingeniería y la nanotecnología , y se relaciona estrechamente con la física atómica y la biofísica . La física teóricade materia condensada comparte conceptos y métodos importantes con los de la física de partículas y la física nuclear . [3]

Una variedad de temas de la física como la cristalografía , la metalurgia , la elasticidad , el magnetismo , etc., fueron tratados como áreas distintas hasta la década de 1940, cuando se agruparon como física del estado sólido . Alrededor de la década de 1960, el estudio de las propiedades físicas de los líquidos se agregó a esta lista, formando la base para la especialidad más completa de la física de la materia condensada. [4] Los laboratorios Bell fue uno de los primeros institutos para llevar a cabo un programa de investigación en física de la materia condensada. [4]

Etimología [ editar ]

Según el físico Philip Warren Anderson , el uso del término "materia condensada" para designar un campo de estudio fue acuñado por él y Volker Heine , cuando cambiaron el nombre de su grupo en los Laboratorios Cavendish , Cambridge de teoría del estado sólido a teoría. de Materia Condensada en 1967, [5] ya que lo sentían mejor incluía su interés en los líquidos, la materia nuclear , etc. [6] [7] Aunque Anderson y Heine ayudaron a popularizar el nombre "materia condensada", se había utilizado en Europa durante algunos años, sobre todo en la revista Springer-Verlag.Física de la materia condensada , lanzada en 1963. [8] El nombre "física de la materia condensada" enfatizó la similitud de los problemas científicos encontrados por los físicos que trabajan con sólidos, líquidos, plasmas y otras materias complejas, mientras que la "física del estado sólido" a menudo se asociaba con aplicaciones industriales restringidas de metales y semiconductores. En las décadas de 1960 y 1970, algunos físicos sintieron que el nombre más completo se ajustaba mejor al entorno de financiación y la política de la Guerra Fría de la época. [9]

Las referencias a estados "condensados" pueden rastrearse hasta fuentes anteriores. Por ejemplo, en la introducción a su libro de 1947 Teoría cinética de los líquidos , [10] Yakov Frenkel propuso que "La teoría cinética de los líquidos debe, en consecuencia, desarrollarse como una generalización y extensión de la teoría cinética de los cuerpos sólidos. De hecho, , sería más correcto unificarlos bajo el título de 'cuerpos condensados' ”.

Historia de la física de la materia condensada [ editar ]

Física clásica [ editar ]

Heike Kamerlingh Onnes y Johannes van der Waals con el licuefactor de helio en Leiden en 1908

Uno de los primeros estudios de los estados condensados ​​de la materia fue el del químico inglés Humphry Davy , en las primeras décadas del siglo XIX. Davy observó que de los cuarenta elementos químicos conocidos en ese momento, veintiséis tenían propiedades metálicas como brillo , ductilidad y alta conductividad eléctrica y térmica. [11] Esto indicó que los átomos en John Dalton 's teoría atómica no eran indivisible según Dalton, pero tenía estructura interna. Davy afirmó además que los elementos que se creía que eran gases, como el nitrógeno y el hidrógeno podrían licuarse en las condiciones adecuadas y luego se comportarían como metales. [12] [nota 1]

En 1823, Michael Faraday , entonces asistente en el laboratorio de Davy, licuó con éxito el cloro y pasó a licuar todos los elementos gaseosos conocidos, excepto el nitrógeno, el hidrógeno y el oxígeno . [11] Poco después, en 1869, el químico irlandés Thomas Andrews estudió la transición de fase de un líquido a un gas y acuñó el término punto crítico para describir la condición en la que un gas y un líquido eran indistinguibles como fases, [14] y un físico holandés Johannes van der Waalssuministró el marco teórico que permitió la predicción del comportamiento crítico basado en mediciones a temperaturas mucho más altas. [15] : 35–38 En 1908, James Dewar y Heike Kamerlingh Onnes pudieron licuar hidrógeno y luego el helio recién descubierto , respectivamente. [11]

Paul Drude en 1900 propuso el primer modelo teórico para un electrón clásico que se mueve a través de un sólido metálico. [3] El modelo de Drude describía las propiedades de los metales en términos de un gas de electrones libres y fue el primer modelo microscópico en explicar observaciones empíricas como la ley de Wiedemann-Franz . [16] [17] : 27-29 Sin embargo, a pesar del éxito del modelo de electrones libres de Drude, tenía un problema notable: no podía explicar correctamente la contribución electrónica al calor específico y las propiedades magnéticas de los metales, y la dependencia de la temperatura. de resistividad a bajas temperaturas. [18] : 366–368

En 1911, tres años después de que se licuara por primera vez el helio, Onnes, que trabajaba en la Universidad de Leiden, descubrió la superconductividad en el mercurio , cuando observó que la resistividad eléctrica del mercurio se desvanecía a temperaturas por debajo de cierto valor. [19] El fenómeno sorprendió por completo a los mejores físicos teóricos de la época y permaneció sin explicación durante varias décadas. [20] Albert Einstein , en 1922, dijo con respecto a las teorías contemporáneas de la superconductividad que "con nuestro amplio desconocimiento de la mecánica cuántica de los sistemas compuestos, estamos muy lejos de poder componer una teoría a partir de estas vagas ideas". [21]

Advenimiento de la mecánica cuántica [ editar ]

El modelo clásico de Drude fue aumentado por Wolfgang Pauli , Arnold Sommerfeld , Felix Bloch y otros físicos. Pauli se dio cuenta de que los electrones libres en el metal deben obedecer las estadísticas de Fermi-Dirac . Utilizando esta idea, desarrolló la teoría del paramagnetismo en 1926. Poco después, Sommerfeld incorporó las estadísticas de Fermi-Dirac en el modelo de electrones libres y lo mejoró para explicar la capacidad calorífica. Dos años más tarde, Bloch utilizó la mecánica cuántica para describir el movimiento de un electrón en una red periódica. [18] : 366–368 Las matemáticas de las estructuras cristalinas desarrolladas por Auguste Bravais, Yevgraf Fyodorov y otros se utilizó para clasificar los cristales por su grupo de simetría , y las tablas de estructuras cristalinas fueron la base de la serie International Tables of Crystallography , publicada por primera vez en 1935. [22] Los cálculos de estructura de bandas se utilizaron por primera vez en 1930 para predecir la propiedades de los nuevos materiales, y en 1947 John Bardeen , Walter Brattain y William Shockley desarrollaron el primer transistor basado en semiconductores , anunciando una revolución en la electrónica. [3]

Una réplica del primer transistor de contacto puntual en los laboratorios Bell

En 1879, Edwin Herbert Hall, que trabajaba en la Universidad Johns Hopkins, descubrió un voltaje desarrollado a través de conductores transversales a una corriente eléctrica en el conductor y un campo magnético perpendicular a la corriente. [23] Este fenómeno que surge debido a la naturaleza de los portadores de carga en el conductor se denominó efecto Hall , pero no se explicó adecuadamente en ese momento, ya que el electrón no se descubrió experimentalmente hasta 18 años después. Después del advenimiento de la mecánica cuántica, Lev Landau en 1930 desarrolló la teoría de la cuantificación de Landau y sentó las bases para la explicación teórica del efecto Hall cuántico.descubierto medio siglo después. [24] : 458–460 [25]

El magnetismo como propiedad de la materia se conoce en China desde el 4000 a. C. [26] : 1–2 Sin embargo, los primeros estudios modernos del magnetismo solo comenzaron con el desarrollo de la electrodinámica por Faraday, Maxwell y otros en el siglo XIX, que incluyó la clasificación de materiales como ferromagnéticos , paramagnéticos y diamagnéticos en función de su respuesta a la magnetización. [27] Pierre Curie estudió la dependencia de la magnetización de la temperatura y descubrió la transición de fase del punto de Curie en materiales ferromagnéticos. [26] En 1906, Pierre Weissintrodujo el concepto de dominios magnéticos para explicar las principales propiedades de los ferroimanes. [28] : 9 El primer intento de una descripción microscópica del magnetismo fue realizado por Wilhelm Lenz y Ernst Ising a través del modelo de Ising que describía los materiales magnéticos como compuestos de una red periódica de espines que adquirían magnetización colectivamente. [26] El modelo de Ising se resolvió exactamente para mostrar que la magnetización espontánea no puede ocurrir en una dimensión, pero es posible en redes de dimensiones superiores. Investigaciones adicionales, como las de Bloch sobre ondas de espín y Néel sobreel antiferromagnetismo llevó al desarrollo de nuevos materiales magnéticos con aplicaciones a dispositivos de almacenamiento magnético . [26] : 36–38, g48

Física moderna de muchos cuerpos [ editar ]

Un imán levitando sobre un superconductor de alta temperatura . Hoy en día, algunos físicos están trabajando para comprender la superconductividad de alta temperatura utilizando la correspondencia AdS / CFT. [29]

El modelo de Sommerfeld y los modelos de espín para el ferromagnetismo ilustraron la aplicación exitosa de la mecánica cuántica a los problemas de materia condensada en la década de 1930. Sin embargo, aún quedaban varios problemas sin resolver, entre los que destaca la descripción de la superconductividad y el efecto Kondo . [30] Después de la Segunda Guerra Mundial , varias ideas de la teoría cuántica de campos se aplicaron a problemas de materia condensada. Estos incluyeron el reconocimiento de los modos de excitación colectiva de los sólidos y la importante noción de una cuasipartícula. El físico ruso Lev Landau utilizó la idea para la teoría del líquido de Fermi.donde las propiedades de baja energía de los sistemas de fermiones interactuantes se dieron en términos de lo que ahora se denominan cuasipartículas de Landau. [30] Landau también desarrolló una teoría del campo medio para las transiciones de fase continuas, que describía las fases ordenadas como una ruptura espontánea de la simetría . La teoría también introdujo la noción de un parámetro de orden para distinguir entre fases ordenadas. [31] Finalmente, en 1956, John Bardeen , Leon Cooper y John Schrieffer desarrollaron la llamada teoría BCSde superconductividad, basado en el descubrimiento de que una atracción arbitrariamente pequeña entre dos electrones de espín opuesto mediada por fonones en la red puede dar lugar a un estado ligado llamado par de Cooper . [32]

El efecto Hall cuántico : componentes de la resistividad de Hall en función del campo magnético externo [33] : fig. 14

El estudio de las transiciones de fase y el comportamiento crítico de los observables, denominados fenómenos críticos , fue un campo de gran interés en la década de 1960. [34] Leo Kadanoff , Benjamin Widom y Michael Fisher desarrollaron las ideas de exponentes críticos y escala de widom . Estas ideas fueron unificadas por Kenneth G. Wilson en 1972, bajo el formalismo del grupo de renormalización en el contexto de la teoría cuántica de campos. [34]

El efecto Hall cuántico fue descubierto por Klaus von Klitzing , Dorda y Pepper en 1980 cuando observaron que la conductancia de Hall era múltiplos enteros de una constante fundamental (ver figura). Se observó que el efecto era independiente de parámetros como el tamaño del sistema y las impurezas. . [33] En 1981, el teórico Robert Laughlin propuso una teoría que explica la precisión imprevista de la meseta integral. También implicaba que la conductancia de Hall es proporcional a un invariante topológico, llamado número de Chern , cuya relevancia para la estructura de bandas de los sólidos fue formulada por David J. Thouless y colaboradores. [35] [36] :69, 74 Poco después, en 1982, Horst Störmer y Daniel Tsui observaron el efecto Hall cuántico fraccional donde la conductancia era ahora un múltiplo racional de la constante. Laughlin, en 1983, se dio cuenta de que esto era una consecuencia de la interacción de las cuasipartículas en los estados de Hall y formuló unasolución de método variacional , denominada función de onda de Laughlin . [37] El estudio de las propiedades topológicas del efecto Hall fraccional sigue siendo un campo de investigación activo. [38] Décadas más tarde, la teoría de la banda topológica antes mencionada desarrollada por David J. Thouless y colaboradores [39]se expandió aún más, lo que llevó al descubrimiento de aislantes topológicos . [40] [41]

En 1986, Karl Müller y Johannes Bednorz descubrieron el primer superconductor de alta temperatura , un material que era superconductor a temperaturas de hasta 50 kelvins . Se descubrió que los superconductores de alta temperatura son ejemplos de materiales fuertemente correlacionados donde las interacciones electrón-electrón juegan un papel importante. [42] Aún no se conoce una descripción teórica satisfactoria de los superconductores de alta temperatura y el campo de los materiales fuertemente correlacionados sigue siendo un tema de investigación activo.

En 2009, David Field e investigadores de la Universidad de Aarhus descubrieron campos eléctricos espontáneos al crear películas prosaicas [ aclaración necesaria ] de varios gases. Esto se ha expandido más recientemente para formar el área de investigación de la electricidad espontánea . [43]

En 2012, varios grupos publicaron preprints que sugieren que el hexaboruro de samario tiene las propiedades de un aislante topológico [44] de acuerdo con las predicciones teóricas anteriores. [45] Dado que el hexaboruro de samario es un aislante Kondo establecido , es decir, un material electrónico fuertemente correlacionado, se espera que la existencia de un estado de superficie de Dirac topológico en este material conduzca a un aislante topológico con fuertes correlaciones electrónicas.

Teórico [ editar ]

La física teórica de la materia condensada implica el uso de modelos teóricos para comprender las propiedades de los estados de la materia. Estos incluyen modelos para estudiar las propiedades electrónicas de los sólidos, como el modelo Drude , la estructura de bandas y la teoría funcional de la densidad . También se han desarrollado modelos teóricos para estudiar la física de las transiciones de fase , como la teoría de Ginzburg-Landau , exponentes críticos y el uso de métodos matemáticos de la teoría cuántica de campos y el grupo de renormalización . Los estudios teóricos modernos implican el uso de cálculo numérico.de estructura electrónica y herramientas matemáticas para comprender fenómenos como la superconductividad de alta temperatura , las fases topológicas y las simetrías de calibre .

Emergencia [ editar ]

Artículo principal: Emergencia

La comprensión teórica de la física de la materia condensada está estrechamente relacionada con la noción de emergencia , en la que conjuntos complejos de partículas se comportan de maneras dramáticamente diferentes de sus constituyentes individuales. [32] [38] Por ejemplo, una variedad de fenómenos relacionados con la superconductividad de alta temperatura se entienden mal, aunque la física microscópica de los electrones individuales y las redes es bien conocida. [46] De manera similar, se han estudiado modelos de sistemas de materia condensada donde las excitaciones colectivas se comportan como fotones y electrones , describiendo así el electromagnetismo como un fenómeno emergente. [47]Las propiedades emergentes también pueden ocurrir en la interfaz entre materiales: un ejemplo es la interfaz de aluminato de lantano-titanato de estroncio , donde dos aislantes no magnéticos se unen para crear conductividad, superconductividad y ferromagnetismo .

Teoría electrónica de sólidos [ editar ]

Artículo principal: estructura de banda electrónica

El estado metálico ha sido históricamente un componente importante para el estudio de las propiedades de los sólidos. [48] Paul Drude dio la primera descripción teórica de los metales en 1900 con el modelo Drude , que explicaba las propiedades eléctricas y térmicas al describir un metal como un gas ideal de electrones recién descubiertos . Pudo derivar la ley empírica de Wiedemann-Franz y obtener resultados en estrecha concordancia con los experimentos. [17] : 90-91 Este modelo clásico fue mejorado por Arnold Sommerfeld, quien incorporó las estadísticas de Fermi-Dirac.de electrones y fue capaz de explicar el comportamiento anómalo del calor específico de los metales en la ley de Wiedemann-Franz . [17] : 101-103 En 1912, Max von Laue y Paul Knipping estudiaron la estructura de los sólidos cristalinos cuando observaron el patrón de difracción de rayos X de los cristales y concluyeron que los cristales obtienen su estructura de las redes periódicas de los átomos. [17] : 48 [49] En 1928, el físico suizo Felix Bloch proporcionó una solución de función de onda a la ecuación de Schrödinger con un potencial periódico , conocido comoTeorema de Bloch . [50]

Calcular las propiedades electrónicas de los metales mediante la resolución de la función de onda de muchos cuerpos es a menudo difícil desde el punto de vista computacional y, por lo tanto, se necesitan métodos de aproximación para obtener predicciones significativas. [51] La teoría de Thomas-Fermi , desarrollada en la década de 1920, se utilizó para estimar la energía del sistema y la densidad electrónica al tratar la densidad de electrones locales como un parámetro variacional . Más tarde, en la década de 1930, Douglas Hartree , Vladimir Fock y John Slater desarrollaron la llamada función de onda Hartree-Fock como una mejora sobre el modelo de Thomas-Fermi. El método Hartree-Fock tuvo en cuenta las estadísticas de intercambiode las funciones de onda de electrones de una En general, es muy difícil resolver la ecuación de Hartree-Fock. Solo el caso del gas de electrones libres puede resolverse con exactitud. [48] : 330–337 Finalmente, en 1964–65, Walter Kohn , Pierre Hohenberg y Lu Jeu Sham propusieron la teoría de la función de la densidad que proporcionó descripciones realistas de las propiedades de volumen y superficie de los metales. La teoría funcional de la densidad (DFT) se ha utilizado ampliamente desde la década de 1970 para los cálculos de la estructura de bandas de una variedad de sólidos. [51]

Rompiendo la simetría [ editar ]

Artículo principal: Ruptura de simetría

Algunos estados de la materia exhiben ruptura de simetría , donde las leyes relevantes de la física poseen alguna forma de simetría que se rompe. Un ejemplo común son los sólidos cristalinos , que rompen la simetría de traslación continua . Otros ejemplos incluyen magnetizadas ferromagnetos , que rompen la simetría de rotación , y los estados más exóticos tales como el estado fundamental de un BCS superconductor que rompe U (1) simetría de rotación de fase. [52] [53]

El teorema de Goldstone en la teoría cuántica de campos establece que en un sistema con simetría continua rota, pueden existir excitaciones con energía arbitrariamente baja, llamadas bosones de Goldstone . Por ejemplo, en sólidos cristalinos, estos corresponden a fonones , que son versiones cuantificadas de vibraciones reticulares. [54]

Transición de fase [ editar ]

Artículo principal: transición de fase

La transición de fase se refiere al cambio de fase de un sistema, que se produce por el cambio de un parámetro externo como la temperatura . La transición de fase clásica ocurre a una temperatura finita cuando se destruyó el orden del sistema. Por ejemplo, cuando el hielo se derrite y se convierte en agua, la estructura cristalina ordenada se destruye.

En las transiciones de fase cuántica , la temperatura se establece en cero absoluto y el parámetro de control no térmico, como la presión o el campo magnético, provoca las transiciones de fase cuando el orden es destruido por fluctuaciones cuánticas que se originan en el principio de incertidumbre de Heisenberg . Aquí, las diferentes fases cuánticas del sistema se refieren a distintos estados fundamentales de la matriz hamiltoniana . Comprender el comportamiento de la transición de fase cuántica es importante en las difíciles tareas de explicar las propiedades de los aislantes magnéticos de tierras raras, los superconductores de alta temperatura y otras sustancias. [55]

Se producen dos clases de transiciones de fase: transiciones de primer orden y transiciones de segundo orden o continuas . Para este último, las dos fases involucradas no coexisten a la temperatura de transición, también llamada punto crítico . Cerca del punto crítico, los sistemas experimentan un comportamiento crítico, en el que varias de sus propiedades, como la longitud de correlación , el calor específico y la susceptibilidad magnética, divergen exponencialmente. [55] Estos fenómenos críticos presentan serios desafíos para los físicos debido a que loslas leyes ya no son válidas en la región, y se deben inventar ideas y métodos novedosos para encontrar las nuevas leyes que puedan describir el sistema. [56] : 75 y siguientes

La teoría más simple que puede describir las transiciones de fase continuas es la teoría de Ginzburg-Landau , que trabaja en la llamada aproximación de campo medio . Sin embargo, solo puede explicar de manera aproximada la transición de fase continua para ferroeléctricos y superconductores de tipo I que implica interacciones microscópicas de largo alcance. Para otros tipos de sistemas que involucran interacciones de corto alcance cerca del punto crítico, se necesita una mejor teoría. [57] : 8-11

Cerca del punto crítico, las fluctuaciones ocurren en una amplia gama de escalas de tamaño, mientras que la característica de todo el sistema es invariante en la escala. Los métodos de grupo de renormalización promedian sucesivamente las fluctuaciones de longitud de onda más cortas en etapas mientras retienen sus efectos en la siguiente etapa. Por lo tanto, los cambios de un sistema físico visto en diferentes escalas de tamaño pueden investigarse sistemáticamente. Los métodos, junto con una potente simulación por computadora, contribuyen en gran medida a la explicación de los fenómenos críticos asociados con la transición de fase continua. [56] : 11

Experimental [ editar ]

La física experimental de la materia condensada implica el uso de sondas experimentales para intentar descubrir nuevas propiedades de los materiales. Tales sondas incluyen efectos de campos eléctricos y magnéticos , funciones de respuesta de medición , propiedades de transporte y termometría . [58] Los métodos experimentales comúnmente utilizados incluyen la espectroscopia , con sondas como rayos X , luz infrarroja y dispersión de neutrones inelásticos ; estudio de la respuesta térmica, como calor específico y medición del transporte por conducción térmica y térmica .

Imagen del patrón de difracción de rayos X de un cristal de proteína .

Dispersión [ editar ]

Más información: Dispersión

Varios experimentos de materia condensada implican la dispersión de una sonda experimental, como rayos X , fotones ópticos , neutrones , etc., sobre los componentes de un material. La elección de la sonda de dispersión depende de la escala de energía de observación de interés. La luz visible tiene energía en la escala de 1 electrón voltio (eV) y se utiliza como sonda de dispersión para medir variaciones en las propiedades del material, como la constante dieléctrica y el índice de refracción . Los rayos X tienen energías del orden de 10 keV y, por lo tanto, son capaces de sondear escalas de longitud atómica y se utilizan para medir variaciones en la densidad de carga de electrones. [59] :33–34

Los neutrones también pueden sondear escalas de longitud atómica y se utilizan para estudiar la dispersión de los núcleos y los espines de los electrones y la magnetización (ya que los neutrones tienen espín pero no tienen carga). Las mediciones de dispersión de Coulomb y Mott se pueden realizar utilizando haces de electrones como sondas de dispersión. [59] : 33-34 [60] : 39-43 De manera similar, la aniquilación de positrones se puede utilizar como una medida indirecta de la densidad electrónica local. [61] La espectroscopia láser es una herramienta excelente para estudiar las propiedades microscópicas de un medio, por ejemplo, para estudiar transiciones prohibidas en medios con espectroscopia óptica no lineal .[56] : 258-259

Campos magnéticos externos [ editar ]

En la física experimental de la materia condensada, los campos magnéticos externos actúan como variables termodinámicas que controlan el estado, las transiciones de fase y las propiedades de los sistemas materiales. [62] La resonancia magnética nuclear (RMN) es un método mediante el cual se utilizan campos magnéticos externos para encontrar modos de resonancia de electrones individuales, proporcionando así información sobre la estructura atómica, molecular y de enlace de su vecindad. Los experimentos de RMN se pueden realizar en campos magnéticos con intensidades de hasta 60 Tesla . Los campos magnéticos más altos pueden mejorar la calidad de los datos de medición de RMN. [63] : 69 [64] : 185 oscilaciones cuánticases otro método experimental en el que se utilizan campos magnéticos elevados para estudiar las propiedades de los materiales, como la geometría de la superficie de Fermi . [65] Los campos magnéticos elevados serán útiles para probar experimentalmente las diversas predicciones teóricas, como el efecto magnetoeléctrico cuantificado , el monopolo magnético de imagen y el efecto Hall cuántico medio entero . [63] : 57

Espectroscopia nuclear [ editar ]

La estructura local , la estructura de los átomos vecinos más cercanos, de la materia condensada se puede investigar con métodos de espectroscopía nuclear , que son muy sensibles a pequeños cambios. Usando núcleos específicos y radiactivos , el núcleo se convierte en la sonda que interactúa con sus campos eléctricos y magnéticos circundantes ( interacciones hiperfinas ). Los métodos son adecuados para estudiar defectos, difusión, cambio de fase, magnetismo. Los métodos habituales son, por ejemplo , RMN , espectroscopia de Mössbauer o correlación angular perturbada (PAC). Especialmente el PAC es ideal para el estudio de cambios de fase a temperaturas extremas superiores a 2000 ° C debido a que el método no depende de la temperatura.

Gases atómicos fríos [ editar ]

Artículo principal: celosía óptica
El primer condensado de Bose-Einstein observado en un gas de átomos de rubidio ultrafríos . Las áreas azules y blancas representan una mayor densidad.

La captura de átomos ultrafríos en redes ópticas es una herramienta experimental comúnmente utilizada en la física de la materia condensada y en la física atómica, molecular y óptica . El método implica el uso de láseres ópticos para formar un patrón de interferencia , que actúa como una red , en la que se pueden colocar iones o átomos a temperaturas muy bajas. Los átomos fríos en las redes ópticas se utilizan como simuladores cuánticos , es decir, actúan como sistemas controlables que pueden modelar el comportamiento de sistemas más complicados, como los imanes frustrados . [66] En particular, se utilizan para diseñar celosías unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales para un modelo de Hubbard.con parámetros preespecificados, y para estudiar las transiciones de fase para el ordenamiento de líquidos antiferromagnéticos y de espín . [67] [68] [38]

En 1995, se utilizó un gas de átomos de rubidio enfriado a una temperatura de 170 nK para realizar experimentalmente el condensado de Bose-Einstein , un estado novedoso de la materia originalmente predicho por SN Bose y Albert Einstein , en el que una gran cantidad de átomos ocupan un cuanto estado . [69]

Aplicaciones [ editar ]

Simulación por computadora de nanoengranajes hechos de moléculas de fullereno . Se espera que los avances en nanociencia conduzcan a máquinas que funcionen a escala molecular.

La investigación en física de la materia condensada [38] [70] ha dado lugar a varias aplicaciones de dispositivos, como el desarrollo del transistor semiconductor , [3] la tecnología láser , [56] y varios fenómenos estudiados en el contexto de la nanotecnología . [71] : 111ff Métodos como la microscopía de túnel de barrido se pueden utilizar para controlar procesos a escala nanométrica y han dado lugar al estudio de la nanofabricación. [72]

En la computación cuántica , la información se representa mediante bits cuánticos o qubits . Los qubits pueden descodificarse rápidamente antes de que se complete el cálculo útil. Este grave problema debe resolverse antes de que se pueda realizar la computación cuántica. Para resolver este problema, se proponen varios enfoques prometedores en la física de la materia condensada, incluyendo unión de Josephson qubits, espintrónicos qubits utilizando el giro orientación de los materiales magnéticos, o las topológicos no abeliano anyons de cuántica fraccional de efecto Hall estados. [72]

La física de la materia condensada también tiene usos importantes para la biofísica , por ejemplo, el método experimental de formación de imágenes por resonancia magnética , que se utiliza ampliamente en el diagnóstico médico. [72]

Ver también [ editar ]

  • Materia blanda
  • Relaciones Green-Kubo
  • Función de Green (teoría de muchos cuerpos)
  • Ciencia de los materiales  : campo interdisciplinario que se ocupa del descubrimiento y diseño de nuevos materiales, principalmente de las propiedades físicas y químicas de los sólidos.
  • Espectroscopia nuclear
  • Comparación de software para modelado de mecánica molecular
  • Materiales transparentes
  • Magnetización orbital
  • Simetría en mecánica cuántica  : propiedades subyacentes a la física moderna
  • Física mesoscópica  : una subdisciplina de la física de la materia condensada que se ocupa de materiales de longitud intermedia.

Notas [ editar ]

  1. ^ Tanto el hidrógeno como el nitrógeno se han licuado desde entonces; sin embargo, el nitrógeno y el hidrógeno líquidos ordinarios no poseen propiedades metálicas. Los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron en 1935 [13] queexisteun estado de hidrógeno metálico a presiones suficientemente altas (más de 25 GPa ), pero esto aún no se ha observado.

Referencias [ editar ]

  1. ^ "Trabajos de física de la materia condensada: carreras en física de la materia condensada" . Trabajos de Physics Today . Archivado desde el original el 27 de marzo de 2009 . Consultado el 1 de noviembre de 2010 .
  2. ^ "Historia de la física de la materia condensada" . Sociedad Estadounidense de Física . Consultado el 27 de marzo de 2012 .
  3. ↑ a b c d Cohen, Marvin L. (2008). "Ensayo: Cincuenta años de física de la materia condensada" . Cartas de revisión física . 101 (25): 250001. bibcode : 2008PhRvL.101y0001C . doi : 10.1103 / PhysRevLett.101.250001 . PMID 19113681 . Consultado el 31 de marzo de 2012 . 
  4. ↑ a b Kohn, W. (1999). "Un ensayo sobre la física de la materia condensada en el siglo XX" (PDF) . Reseñas de Física Moderna . 71 (2): S59 – S77. Código bibliográfico : 1999RvMPS..71 ... 59K . doi : 10.1103 / RevModPhys.71.S59 . Archivado desde el original (PDF) el 25 de agosto de 2013 . Consultado el 27 de marzo de 2012 .
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Lectura adicional [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • Medios relacionados con la física de la materia condensada en Wikimedia Commons