Kondensierte Sache-Physik befasst sich mit den physikalischen Eigenschaften von kondensierten Phasen der Sache. Diese Eigenschaften erscheinen, wenn mehrere Atome am supramolecular und der makromolekularen Skala stark aufeinander wirken und an einander kleben oder in einem System sonst hoch konzentriert werden. Die vertrautesten kondensierten Phasen sind Festkörper und Flüssigkeiten, die aus elektromagnetischen verbindlichen Kräften entstehen. Exotischere kondensierte Phasen schließen den mesophases von flüssigen Kristallgeräten, die Superleiten-Phase ein, die durch bestimmte Materialien bei der niedrigen Temperatur, den eisenmagnetischen und antimagnetischen Phasen von Drehungen auf Atomgittern und dem in bestimmten ultrakalten Atomsystemen gefundenen Kondensat von Bose-Einstein ausgestellt ist. Kondensierte Sache-Physik bemüht sich, das Verhalten dieser Phasen durch das Verwenden fester physischer Gesetze zu verstehen. Insbesondere diese schließen die Gesetze der Quant-Mechanik, des Elektromagnetismus und der statistischen Mechanik ein.

Die Ungleichheit von Systemen und für die Studie verfügbaren Phänomenen macht kondensierte Sache-Physik das aktivste Feld der zeitgenössischen Physik: Ein Drittel aller amerikanischen Physiker identifiziert sich als kondensierte Sache-Physiker, und Die Abteilung der Kondensierten Sache-Physik (DCMP) ist die größte Abteilung der amerikanischen Physischen Gesellschaft. Das Feld überlappt mit der Chemie, Material-Wissenschaft und Nanotechnologie, und bezieht sich nah auf die Atomphysik und Biophysik. Theoretische kondensierte Sache-Physik teilt wichtige Konzepte und Techniken mit der theoretischen Partikel und Kernphysik.

Geschichte

Eine der ersten Studien von kondensierten Staaten der Sache war durch den englischen Chemiker Humphrey Davy, als er dass von den vierzig chemischen Elementen bekannt zurzeit beobachtet hat, sechsundzwanzig hatte metallische Eigenschaften wie Glanz, Dehnbarkeit und hohes elektrisches und thermisches Leitvermögen, und hat folglich beschlossen, dass die Atome in der Atomtheorie von Dalton als Dalton gefordert ziemlich teilbar waren, aber innere Struktur hatten. Davy hat weiter behauptet, dass Elemente, die, wie man dann glaubte, Benzin, wie Stickstoff und Wasserstoff waren, liquified unter den richtigen Bedingungen sein konnten und sich dann als Metalle benehmen würden.

1823 ist Micheal Faraday, dann ein Helfer im Laboratorium von Davy, erfolgreich liquified Chlor und zu liquify alle bekannten gasartigen Elemente, mit Ausnahme vom Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff weitergegangen. Kurz danach, 1869, hat irischer Chemiker Thomas Andrews den Phase-Übergang von einer Flüssigkeit bis ein Benzin studiert und hat den Begriff kritischer Punkt ins Leben gerufen, um den Moment zu beschreiben, in dem ein Benzin und eine Flüssigkeit als Phasen nicht zu unterscheidend waren, und holländischer Physiker Johannes van der Waals das theoretische Fachwerk geliefert hat, das die Vorhersage des kritischen Verhaltens erlaubt hat, das auf Maßen bei viel höheren Temperaturen gestützt ist. Vor 1908 sind James Dewar und H. Kamerlingh Onnes erfolgreich zu liquify Wasserstoff und dann kürzlich entdecktem Helium beziehungsweise fähig gewesen.

1911 gerade drei Jahre, nachdem Helium der erste liquified war, hat Onnes, der an der Universität von Leiden arbeitet, Supraleitfähigkeit in Quecksilber entdeckt, als er den elektrischen spezifischen Widerstand in Quecksilber beobachtet hat zu verschwinden, als die Temperatur unter einem bestimmten Wert gesenkt wurde. Inzwischen hat Paul Drude das erste theoretische Modell für ein klassisches Elektron vorgeschlagen, das sich durch einen metallischen Festkörper bewegt. Die Struktur von kristallenen Festkörpern wurde von Max von Laue und Paul Knipping studiert, als sie das Röntgenstrahl-Beugungsmuster von Kristallen beobachtet haben und beschlossen haben, dass Kristalle ihre Struktur von periodischen Gittern von Atomen bekommen. Das klassische Modell von Drude wurde von Felix Bloch, Arnold Sommerfeld und anderen vermehrt, wer Quant-Mechanik verwendet hat, um die Bewegung eines Quant-Elektrons in einem periodischen Gitter zu beschreiben. Band-Struktur-Berechnungen wurden zuerst 1930 verwendet, um die Eigenschaften von neuen Materialien vorauszusagen, und 1947 haben John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley den ersten Halbleiter-basierten Transistor entwickelt, eine Revolution in der Elektronik verkündend.

Eine Vielfalt von Themen in der Physik wie Kristallographie, Metallurgie, Elastizität, Magnetismus wurde usw. als verschiedene Gebiete bis zu den 1940er Jahren behandelt, als sie zusammen als Physik des Festen Zustands gruppiert wurden. Um die 1960er Jahre wurde die Studie von physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten zu dieser Liste hinzugefügt, und es ist gekommen, um als kondensierte Sache-Physik bekannt zu sein. Gemäß dem Physiker Phil Anderson wurde der Begriff allein und Volker Heine ins Leben gerufen, als sie den Namen ihrer Gruppe an den Laboratorien von Cavendish, Cambridge aus der "Theorie des festen Zustands" zur "Theorie der Kondensierten Sache" geändert haben, weil sie gefunden haben, dass es ihre Interessen an der Studie von Flüssigkeiten, Kernsache und so weiter nicht ausgeschlossen hat. Die Glockenlaboratorien (dann bekannt als die Glockentelefonlaboratorien) waren eines der ersten Institute, um ein Forschungsprogramm in der kondensierten Sache-Physik zu führen.

Theoretische kondensierte Sache-Physik

Theoretische kondensierte Sache-Physik ist mit dem Gebrauch von theoretischen Modellen verbunden, um Eigenschaften von Staaten der Sache zu verstehen. Diese schließen Modelle ein, um die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern, wie das Modell von Drude, die Band-Struktur und die Dichte funktionelle Theorie zu studieren. Theoretische Modelle sind auch entwickelt worden, um die Physik von Phase-Übergängen, wie die Theorie des Landauers-Ginzburg, Kritischen Hochzahlen und der Gebrauch von mathematischen Techniken der Quant-Feldtheorie und der Wiedernormalisierungsgruppe zu studieren. Moderne theoretische Studien sind mit dem Gebrauch der numerischen Berechnung der elektronischen Struktur und mathematischen Werkzeuge verbunden, um Phänomene wie Hoch-Temperatursupraleitfähigkeit, topologische Phasen zu verstehen und symmetries zu messen.

Erscheinen

Das theoretische Verstehen der kondensierten Sache-Physik ist nah mit dem Begriff des Erscheinens verbunden, worin sich komplizierte Bauteile von Partikeln auf von ihren individuellen Bestandteilen drastisch verschiedene Weisen benehmen. Zum Beispiel wird eine Reihe von mit der hohen Temperatursupraleitfähigkeit verbundenen Phänomenen nicht gut verstanden, obwohl die mikroskopische Physik von individuellen Elektronen und Gittern weithin bekannt ist. Ähnlich sind Modelle von kondensierten Sache-Systemen studiert worden, wo sich gesammelte Erregung wie Fotonen und Elektronen benehmen, dadurch Elektromagnetismus als ein auftauchendes Phänomen beschreibend.

Das Symmetrie-Brechen

Bestimmte Staaten der Sache stellen das Symmetrie-Brechen aus, wo die relevanten Gesetze der Physik etwas Symmetrie besitzen, die gebrochen wird. Ein allgemeines Beispiel ist kristallene Festkörper, die dauernde Übersetzungssymmetrie brechen. Andere Beispiele schließen magnetisierte Ferromagnete ein, die Rotationssymmetrie und exotischere Staaten wie der Boden-Staat von BCS Supraleiter brechen, der U (1) Rotationssymmetrie bricht.

Der Lehrsatz von Goldstone in der Quant-Feldtheorie stellt fest, dass in einem System mit der gebrochenen dauernden Symmetrie, dort Erregung mit der willkürlich niedrigen Energie, genannt Goldstone bosons bestehen kann. Zum Beispiel, in kristallenen Festkörpern, entsprechen diese phonons, die gequantelte Versionen von Gitter-Vibrationen sind.

Phase-Übergang

Die Studie von kritischen Phänomenen und Phase-Übergänge sind ein wichtiger Teil der modernen kondensierten Sache-Physik. Phase-Übergang bezieht sich auf die Änderung der Phase eines Systems, die durch die Änderung in einem Außenparameter wie Temperatur verursacht werden. Insbesondere Quant-Phase-Übergänge beziehen sich auf Übergänge, wo die Temperatur auf die Null gesetzt wird, und sich die Phasen des Systems auf verschiedene Boden-Staaten von Hamiltonian beziehen. Systeme, die Phase-Übergang erleben, zeigen kritisches Verhalten, worin mehrere ihrer Eigenschaften wie Korrelationslänge, spezifische Hitze und Empfänglichkeit abweichen. Dauernde Phase-Übergänge werden durch die Ginzburg-Landauer-Theorie beschrieben, die in der so genannten Mittelfeldannäherung arbeitet. Jedoch sind mehrere wichtige Phase-Übergänge, wie der Übergang der Isolator-Superflüssigkeit von Mott, bekannt, die dem Ginzburg-Landauer-Paradigma nicht folgen. Die Studie von Phase-Übergängen in stark aufeinander bezogenen Systemen ist ein aktives Gebiet der Forschung.

Experimentelle kondensierte Sache-Physik

Experimentelle kondensierte Sache-Physik ist mit dem Gebrauch von experimentellen Untersuchungen verbunden, um zu versuchen, neue Eigenschaften von Materialien zu entdecken. Experimentelle Untersuchungen schließen Effekten von elektrischen und magnetischen Feldern, Maß von Ansprechfunktionen ein, transportieren Eigenschaften und thermometry. Allgemein verwendete experimentelle Techniken schließen Spektroskopie, mit Untersuchungen wie Röntgenstrahlen, das unelastische und leichte Infrarotneutronzerstreuen ein; Studie der Thermalantwort, wie spezifische Hitze und Maß des Transports über den thermischen und die Hitzeleitung.

Das Zerstreuen

Mehrere kondensierte Sache-Experimente sind mit dem Zerstreuen einer experimentellen Untersuchung, wie Röntgenstrahl und optische Fotonen, Neutronen usw. von Bestandteilen eines Materials verbunden. Zum Beispiel wird das Röntgenstrahl-Zerstreuen häufig verwendet, um die Kristallstruktur eines Festkörpers mittels des Gesetzes von Bragg zu studieren. Ähnlich wird Infrarotlicht als eine Untersuchung verwendet, um phonons in kristallenen Festkörpern zu studieren, weil sie vergleichbare Energieskalen haben. Neutronen werden auch als das Zerstreuen von Untersuchungen verwendet, wie sie einen magnetischen Moment besitzen und für Maße verwendet werden können, die mit der Drehung und Magnetisierung verbunden sind. Laserspektroskopie wird als ein Werkzeug verwendet, um Phänomene mit der Energie im Rahmen des sichtbaren Lichtes zu studieren, zum Beispiel nichtlineare Optik zu studieren, und Übergänge in Medien verboten.

Elektromagnetische Felder

In der experimentellen kondensierten Sache-Physik handeln magnetische Außenfelder als thermodynamische Variablen, die den Staat, die Phase-Übergänge und die Eigenschaften von materiellen Systemen kontrollieren. Kernkernspinresonanz (NMR) ist eine Technik, durch die magnetische Außenfelder verwendet werden können, um Klangfülle-Weisen von individuellen Elektronen zu finden, so Information über das atomare, das molekulare und die Band-Struktur ihrer Nachbarschaft gebend. NMR Experimente können in magnetischen Feldern mit Kräften bis zu 65 Tesla gemacht werden. Quant-Schwingungen sind eine andere experimentelle Technik, wo hohe magnetische Felder verwendet werden, um materielle Eigenschaften wie die Geometrie der Fermi-Oberfläche zu studieren. Die Quant-Saal-Wirkung ist ein anderes Beispiel von Maßen mit hohen magnetischen Feldern, wo topologische Eigenschaften wie Chern-Simons-Winkel experimentell gemessen werden können.

Optische Gitter

Kaltes Ion, das in optischen Gittern Fallen stellt, ist ein experimentelles Werkzeug, das allgemein in der kondensierten Sache sowie atomaren, molekularen und optischen Physik verwendet ist. Die Technik ist mit verwendenden optischen Lasern verbunden, um ein Einmischungsmuster zu schaffen, das als ein "Gitter" handelt, in das Ionen oder Atome bei sehr niedrigen Temperaturen gelegt werden können. Kalte Atome in optischen Gittern werden als "Quant-Simulatoren" verwendet, d. h. sie handeln als kontrollierbare Systeme, die Verhalten von mehr komplizierten Systemen wie vereitelte Magnete modellieren können. Insbesondere sie werden verwendet, um ein, zwei und dreidimensionale Gitter für ein Modell von Hubbard mit vorangegebenen Rahmen zu konstruieren. und Phase-Übergänge für Néel zu studieren und flüssige Einrichtung zu spinnen.

Anwendungen

Die Forschung in der kondensierten Sache-Physik hat mehrere Gerät-Anwendungen, wie die Entwicklung des Halbleiter-Transistors und Lasertechnologie verursacht. Mehrere im Zusammenhang der Nanotechnologie studierte Phänomene kommen unter dem Bereich der kondensierten Sache-Physik. Techniken wie Abtastung-tunneling der Mikroskopie können Kontrollprozesse an der Nanometer-Skala verwendet werden, und haben die Studie der Nano-Herstellung verursacht. Mehrere kondensierte Sache-Systeme werden mit potenziellen Anwendungen auf die Quant-Berechnung, einschließlich experimenteller Systeme wie Quant-Punkte, TINTENFISCHE und theoretische Modelle wie der Toric-Code und das Quant dimer Modell studiert. Kondensierte Sache-Systeme können abgestimmt werden, um die Bedingungen der Kohärenz und Phase-Empfindlichkeit zur Verfügung zu stellen, die wesentliche Zutaten für die Quant-Informationslagerung sind. Spintronics ist ein neues Gebiet der Technologie, die für die Informationsverarbeitung und Übertragung verwendet werden kann, und auf der Drehung, aber nicht dem Elektrontransport basiert. Kondensierte Sache-Physik hat auch wichtige Anwendungen auf die Biophysik, zum Beispiel, die experimentelle Technik der Kernspinresonanz-Bildaufbereitung, die in der medizinischen Diagnose weit verwendet wird.

Themen in der kondensierten Sache-Physik

• Phasen
• Allgemeine Phasen - Benzin (* unkondensiert); Flüssigkeit; fester
• Niedrige Temperaturphasen - Benzin von Fermi; Flüssigkeit von Fermi; Kondensat von Fermionic; Flüssigkeit von Luttinger; Superflüssigkeit; Zusammensetzung fermions; superfester
• Phase-Phänomene - bestellen Parameter; Phase-Übergang; das Abkühlen der Kurve
• Schnittstellen
• Oberflächenspannung
• Bereichswachstum - nucleation; Spinodal-Zergliederung
• Zwischengesichtswachstum - dendritic Wachstum; Festwerden-Vorderseiten; klebrig, herumfingernd
• Widerstand von Kapitza - flüssiges Helium festes Hitzeleitvermögen
• kristallene Festkörper
• Typen - Isolator; Metall; Halbleiter; Halbmetall
• Elektronische Eigenschaften - Band-Lücke; Welle von Bloch; Leitungsband; wirksame Masse (Halbleiterphysik); elektrische Leitfähigkeit; Elektronloch; Wertigkeitsband
• Elektronische Phänomene - Wirkung von Kondo; plasmon; Quant-Saal-Wirkung; Supraleitfähigkeit; Kristall von Wigner; thermoelectricity
• Gitter-Phänomene - Antiferromagnet; eisenelektrische Wirkung; Ferromagnet; magnon; phonon; Drehungsglas; topologischer Defekt; multiferroics
• Nichtkristallene Festkörper
• Typen - amorpher Festkörper; granuliertes Material; Quasikristalle
• Weiche kondensierte Sache
• Typen - flüssige Kristalle; Polymer; komplizierte Flüssigkeiten; Gele; Schaum; Emulsionen; Kolloide
• Nanotechnologie
• Systeme von Nanoelectromechanical (NEMS)
• Kernspinresonanz-Kraft-Mikroskopie
• Hitzetransport in nanoscale Systemen
• Drehungstransport

Siehe auch

• Weiche Sache
• Quant-Feldtheorie
• Grüne-Kubo Beziehungen
• Die Funktion des Grüns (Vielkörpertheorie)
• Material-Wissenschaft
• Molekulare modellierende Software
• Durchsichtige Materialien

Referenzen

Weiterführende Literatur

• P. M. Chaikin und T. C. Lubensky (2000). Grundsätze der Kondensierten Sache-Physik, Universität von Cambridge Presse; 1. Ausgabe, internationale Standardbuchnummer 0521794501
• Alexander Altland und Ben Simons (2006). Kondensierte Sache-Feldtheorie, Universität von Cambridge Presse, internationale Standardbuchnummer 0521845084
• Michael P. Marder (2010). Kondensierte Sache-Physik, die zweite Ausgabe, John Wiley and Sons, internationale Standardbuchnummer 10: 0470617985