Fizika E Materies Së Kondensuar

Fazat më të njohura të fazave të kondensuara janë trupat e ngurtë dhe të lëngët, derisa fazat e kondensuara ekzotike përfshijnë fazat e superpërcjellshmërisë të ekspozuara nga materiale të sigurta të temperatura të ulëta, fazat ferromagnetike dhe antiferromagnetike të spinit në rrjetë atomike, dhe në kondensimin e Boze-Ajnshtajnit të gjetur në sistemet e ftohta atomike. Studimi i materies së kondensuar përfshin matjet e vetive të ndryshme të materialeve përmes eksperimeneve me përdorimin e teknikave të fizikës teorike për të zhvilluar modelet matematikore që ndohmojnë në kuptimin e sjelljeve fizike.

Diversiteti i sistemeve dhe fenomeneve të disponueshme për tu studiuar e bën fizikën e matieries së kondensuar fushën më aktive të fizikës bashkëkohore: një nga tre fizikantët amerikan identifikojnë vetveten si fizikantë të materies së kondensuar, dhe Divizioni i Fizikës së Materies së Kondensuar është divizioni më i madh në American Physical Society (Shoqërinë Fizike Amerikane). Fusha mbivendoset me kimi, materiale shkencore dhe nanoteknologji dhe lidhet ngusht me fizikën atomike dhe biofizikën. Teorikisht fizika e materies së kondensuar ndan koncepte dhe teknika të rëndësishme me fizikën grimore dhe fizikën nukleare.

Ndryshueshmëria e temave në fizikë si kritalografia, metalurgjia, elasticiteti, magnetizmi, etj., ishin trajtuar si fusha të dallueshme, derisa në vitet e 1940-ta kur ato u grupuan së bashku si fizika e gjendjes së ngurtë. Rreth viteve të 1960-ta, studimi i vetive fizike të lëngjeve u shtua në këtë list, dhe u bë e njohur si fizika e materies së kondensuar. Sipas fizikantit Phil Anderson, termi u shpik nga ai dhe Volker Heine kur ata e ndryshuan emrin e grupin të tyre në Laboratoret Cavendish të Kembrigjit nga “Teoria e gjendjes së ngurtë” në “Teoria e Materies së kondensuar”. Laboratori Bell Telephone ishte i pari institut që përçoi programe hulumtuese në fizikën e materies së kondensuar.

Referimi te gjendja “e kondensuar” mund të gjurmohet në burime të më hershme. Për shembull, në përshkrimin e librit “Teoria kinetika e lëngjeve” të vitit 1947, Yakov Frenkel propozoi që “Teoria kinetike e lëngjeve duhet të zhvillohet në përputhje me rrethanat si një përgjithësimi dhe zgjerim i teorisë kinetike të trupave të ngurtë. Si fakt i materies, do të ishte më e saktë ti unifikojmë ata nën titullin “trupa të kondensuar”.

Pjesa teorike e fizikës së materies së kondensuar përfshin përdorimin e modeleve teorike për kuptimin e vetive të gjendjeve të materies. Këto përfshijnë modele për të studiuar vetitë elektronike të trupave të ngurtë, si modeli Drude, struktura Band dhe teoria e dëndësisë funksionale. Modelet teorike po ashtu u zhvilluan për studimin e fizikës në fazat e tranzicionit si teoria Ginzburg-Landau, eksponentët kritik dhe përdorimi i teknikave matematikore të teorisë së fushës kuantike dhe grupit të rinormalizimit. Studimet moderne teorike përfshijnë perdorimin e llogaritjeve numerike të strukturave elektronike dhe mjete matematikore për të kuptuar fenomene si superpërcjellshmëria e temperaturës së lartë, fazat topologjike dhe simetria matëse.

Teoria elektronike e trupave të ngurtë

Gjendja metalike historikisht ka qenë e rëndësishme për ndërtimin e blloqeve për studimin e vetive të trupave të ngurtë. Përshkrimi i parë teorik i metaleve u dha nga Paul Drude në vitin 1900 me modelin Drude, i cili shpjegonte vetitë elektrike dhe termike duke e përshkruar një metal si një gaz ideal të atëherë-sapo zbuluarave elektrone. Ky model klasik ishte i aprovuar nga Arnold Sommerfeld i cili inkorpuroi statistikat Fermi-Dirac të elektroneve dhe ishte në gjendje të shpjegonte sjelljet anomalike të nxehtësisë specifike të metaleve në ligjin e Ëiedemann-Franz. Në vitin 1913, eksperimenti i difraksionit të rrezeve X zbuloi se metalet posedojnë strukturë rrjetore periodike. Fizikanti zviceran Felix Bloch paraqiti zgjidhjen e një fuksioni valor për ekuacioni Schrödinger me potencial periodic, të quajtuar vala Bloch.

Llogaritja e vetive elektronike të metaleve me funksionin valor është e vështirë, dhe prandaj, teknikat e përafërta janë të nevojshme për të vëzhduar parashikimet kuptimplote. Teoria Thomas-Fermi, e zhvilluar në vitet e 1920-ta, u përdor për të vlerësuar nivelet energjetike elektronike duke trajtuar densitetin lokal të elektronit si parametër i ndryshueshëm. Në fundin e viteve të 1930-ta, Douglas Hartree, Vladimir Fock dhe John Slater zhvilloi të ashtuquajturën funksionin valor të Hartree-Fock si një provë për modelin Thomas-Fermi. Metoda Hartree-Fock u llogarit për statistika të ndërrueshme të një grimce të vetme elektroni me funksion valor, por jo për ndërvetprime Kulone. Përfundimisht në vitin 1964-65, Ëalet Kohn, Pierre Hohenberg dhe Lu Jeu Sham propozuan teorinë funksionale të densitetit e cila dha përshkrime realistike për vetitë sipërfaqësore të metaleve. Teoria funksionale e densitetit (DFT) u përdorën gjerësisht që nga vitet e 1970-ta për llogaritjet e strukturës band të trupave të ndryshëm.

Thyerja e simetrisë

 

Gjendjet e sigurta të materies ekspozojnë një thyerje të simetrisë ku ligjet relevante të fizikës posedojnë disa simetri që janë të thyera. Një shembull i ngjashëm është trupi i ngurtë kristalor, i cili thyen simetrinë e vazhdueshme translacionale. Shembuj të tjerë përfshijnë ferromagnete të magnetizuara, të cilat thyejnë simetrinë rotacionale, dhe shumë gjendje të huaja si gjendja tokëse e superpërçuesve BCS, që thyen simetrinë rotacionale U(1).

Teorema Goldstone në teorinë e fushës kuantike qëndron në një sistem me simteri të thyer të vazhdueshme, mund të ekzistojnë ngacmime me energji të ulët, të quajtura bosone. Për shembull, në trupat e ngurtë kristalor, këto i korrespondojnë fonosve, të cilat janë versione të kuantizuara të rrjetave vibruese.

Pjesa eksperimantale e fizikës së materies së kondensuar përfshin përdorimin e eksperimenteve në provim të zbulimit të vetive të reja të materies. Eksperimetetet e tilla përfshijnë efektet e fushës elektrike dhe magnetike, matjen e funksioneve përgjegjëse, vetive transportuese dhe termometrisë. Ngjashëm, teknikat e përdorura eksperimentale përfshijnë spektroskopinë, me hulumtime si rrezet X, dritën infra dhe shpërndarjen joelastike të neutroneve; studimin e përgjigjjeve termike, si nxehtësisë specifike dhe matjet e transportit përmes përçueshmërisë termike dhe nxehtësisë.