La física del estado sólido es el estudio de la materia rígida , o sólidos , a través de métodos como la mecánica cuántica , la cristalografía , el electromagnetismo y la metalurgia . Es la rama más grande de la física de la materia condensada . La física del estado sólido estudia cómo las propiedades a gran escala de los materiales sólidos resultan de sus propiedades a escala atómica . Por tanto, la física del estado sólido constituye una base teórica de la ciencia de los materiales . También tiene aplicaciones directas, por ejemplo en la tecnología de transistores y semiconductores .
Los materiales sólidos se forman a partir de átomos densamente empaquetados, que interactúan intensamente. Estas interacciones producen las propiedades mecánicas (por ejemplo, dureza y elasticidad ), térmicas , eléctricas , magnéticas y ópticas de los sólidos. Dependiendo del material involucrado y las condiciones en las que se formó, los átomos pueden estar dispuestos en un patrón geométrico regular ( sólidos cristalinos , que incluyen metales y agua helada ordinaria ) o irregularmente (un sólido amorfo como el vidrio de ventana común ).
La mayor parte de la física del estado sólido, como teoría general, se centra en los cristales . Principalmente, esto se debe a que la periodicidad de los átomos en un cristal, su característica definitoria, facilita el modelado matemático. Asimismo, los materiales cristalinos a menudo tienen propiedades eléctricas , magnéticas , ópticas o mecánicas que pueden explotarse con fines de ingeniería .
Las fuerzas entre los átomos de un cristal pueden adoptar diversas formas. Por ejemplo, en un cristal de cloruro de sodio (sal común), el cristal está formado por sodio iónico y cloro , y se mantiene unido mediante enlaces iónicos . En otros, los átomos comparten electrones y forman enlaces covalentes . En los metales, los electrones se comparten entre todo el cristal en enlaces metálicos . Finalmente, los gases nobles no experimentan ninguno de estos tipos de unión. En forma sólida, los gases nobles se mantienen unidos con las fuerzas de van der Waals.resultante de la polarización de la nube de carga electrónica en cada átomo. Las diferencias entre los tipos de sólidos resultan de las diferencias entre sus enlaces.
Las propiedades físicas de los sólidos han sido temas comunes de investigación científica durante siglos, pero un campo separado que se conoce con el nombre de física del estado sólido no surgió hasta la década de 1940, en particular con el establecimiento de la División de Física del Estado Sólido (DSSP). dentro de la Sociedad Estadounidense de Física . El DSSP estaba dirigido a los físicos industriales, y la física del estado sólido se asoció con las aplicaciones tecnológicas que la investigación de los sólidos hizo posible. A principios de la década de 1960, el DSSP era la división más grande de la American Physical Society. [1] [2]
También surgieron grandes comunidades de físicos del estado sólido en Europa después de la Segunda Guerra Mundial , en particular en Inglaterra , Alemania y la Unión Soviética . [3] En los Estados Unidos y Europa, el estado sólido se convirtió en un campo prominente a través de sus investigaciones sobre semiconductores, superconductividad, resonancia magnética nuclear y otros fenómenos diversos. Durante el comienzo de la Guerra Fría, la investigación en física del estado sólido a menudo no se limitaba a los sólidos, lo que llevó a algunos físicos en las décadas de 1970 y 1980 a fundar el campo de la física de la materia condensada , que se organizaba en torno a técnicas comunes utilizadas para investigar sólidos, líquidos, plasmas, etc. y otros asuntos complejos. [1] Hoy en día, la física del estado sólido se considera ampliamente como el subcampo de la física de la materia condensada, a menudo denominada materia condensada dura, que se centra en las propiedades de los sólidos con redes cristalinas regulares.