Física de la Materia Condensada

La física de la materia condensada (del inglés  condensad matter physics ) es un campo de la física que estudia las propiedades macroscópicas y microscópicas de la materia (materia). En particular, esto se aplica a las fases "condensadas", que aparecen cuando el número de componentes (átomos, moléculas, cuasipartículas ) que componen la sustancia en el sistema es extremadamente grande y las interacciones entre los componentes son fuertes. Los ejemplos más familiares de fases condensadas son sólidos y líquidos, que surgen de interacciones entre átomos. La física de la materia condensada busca comprender y predecir el comportamiento de estas fases utilizando leyes físicas . En particular, incluyen las leyes de la mecánica cuántica , el electromagnetismo y la mecánica estadística .

Además de las fases sólida y líquida , existen fases condensadas más exóticas, como la fase superconductora , que se encuentra en algunos materiales a baja temperatura , las fases ferromagnética y antiferromagnética , que consisten en los espines electrónicos de los átomos de las redes cristalinas , y el Bose -Condensado de Einstein , descubierto en sistemas atómicos ultrafríos. El estudio de la física de la materia condensada incluye la medición de diversas propiedades de los materiales mediante sondas experimentales , así como el uso de métodos de física teórica para desarrollar modelos matemáticos que ayuden a comprender el comportamiento físico de los sistemas .

Varias ramas de la física, como la cristalografía , la metalurgia , la teoría de la elasticidad , el magnetismo, etc., se trataron como campos separados hasta la década de 1940, cuando se agruparon bajo el nombre de física del estado sólido . Alrededor de la década de 1960, se agregó a esta lista el estudio de las propiedades físicas de los líquidos, y esta rama de la física comenzó a denominarse física de la materia condensada [1] .

Título, metas y objetivos

Alrededor de la década de 1960, varias secciones de física del estado sólido y secciones dedicadas a las propiedades físicas de los líquidos comenzaron a separarse en una gran sección de física de la materia condensada debido a la difusión de enfoques teóricos generales para dichos medios [2] . Según el físico Philip Warren Anderson , el término fue popularizado por él en los EE. UU. cuando cambió el nombre de su grupo en los Laboratorios Cavendish de teoría del estado sólido a teoría de la materia condensada en 1967 [3] [4] porque creían que no era excluye sus intereses en el estudio de los líquidos, la materia nuclear [5] . El nombre "materia condensada" existe en Europa desde hace varios años, especialmente en forma de una revista publicada por Springer-Verlag en inglés, francés y alemán bajo el título " Physics of Condensed Matter " desde 1963 [6] . Las condiciones de financiación y la política de la Guerra Fría de las décadas de 1960 y 1970 también fueron factores que llevaron a algunos físicos a preferir el nombre de "física de la materia condensada", que destacaba los problemas científicos generales a los que se enfrentan los físicos al estudiar sólidos, líquidos y otras sustancias complejas, en comparación con a la "física del estado sólido", que a menudo se asocia con la aplicación industrial de metales y semiconductores [7] . Bell Telephone Laboratories fue uno de los primeros institutos en llevar a cabo un programa de investigación en física de la materia condensada [8] .

Las referencias al estado "condensado" se remontan a fuentes anteriores. Por ejemplo, en la introducción a su libro de 1943 The Kinetic Theory of Liquids, Yakov Frenkel sugirió que “La teoría cinética de los líquidos debería ser una generalización y extensión de la teoría cinética de los sólidos. De hecho, sería más correcto combinarlos bajo un nombre de cuerpos condensados” [9] .

La variedad de sistemas y fenómenos disponibles para el estudio hace que la física de la materia condensada sea el campo más activo de la física moderna: un tercio de todos los físicos estadounidenses se identifican como físicos de la materia condensada [10] , y la División de Física de la Materia Condensada  es la división más grande de la Sociedad Americana de Física [11] . El campo está estrechamente relacionado con la química , la ciencia de los materiales y la nanotecnología , así como con la física atómica y la biofísica . La física teórica de la materia condensada utiliza conceptos y métodos importantes de la física de partículas elementales y la física nuclear [12] . En la física del estado condensado de la materia, el concepto de cuasipartículas , como excitaciones elementales del medio, ocupa un lugar central. Por tanto, también consideran una definición alternativa del estado condensado de la materia como “un conjunto de partículas cuyo volumen, en determinadas condiciones externas, está determinado únicamente por las fuerzas de interacción entre partículas” [13] .

La inmensidad de los intereses de la física de la materia condensada sugiere que su tarea es explicar todo el mundo material que los rodea, es decir, encontrar una explicación para las propiedades estructurales y electrónicas de los materiales sólidos y líquidos [14] . La teoría es necesaria para revelar la conexión entre los modelos microscópicos y las manifestaciones macroscópicas de los fenómenos estudiados en medios condensados ​​[15] . Walter Kohn , uno de los creadores de la teoría para el cálculo mecánico cuántico de sólidos, dijo a finales de los años 90 del siglo XX [2] :

Durante este siglo, la física de la materia condensada ha experimentado una evolución espectacular, a menudo con avances revolucionarios en tres áreas interrelacionadas: nuevos descubrimientos experimentales y métodos de medición; control de la composición y configuraciones atómicas de los materiales; nuevos conceptos teóricos y métodos. Describir de manera breve y clara esta evolución es sumamente difícil debido a la extraordinaria diversidad de los PCS y sus múltiples relaciones.

Texto original  (inglés)[ mostrarocultar] En el transcurso de este siglo, la física de la materia condensada ha tenido una evolución espectacular, a menudo con pasos revolucionarios, en tres aspectos entrelazados: nuevos descubrimientos experimentales y técnicas de medición; control de las composiciones y configuraciones atómicas de los materiales; y nuevos conceptos teóricos y técnicas. Dar una descripción breve y legible de esta evolución es inmensamente difícil debido a la extraordinaria diversidad y muchas interconexiones de CMP.

Historia

Física clásica

Uno de los primeros investigadores del estado condensado de la materia fue el químico inglés Humphrey Davy , quien trabajó en las primeras décadas del siglo XIX. Davy notó que de los cuarenta elementos químicos conocidos en ese momento, veintiséis tenían propiedades metálicas , como brillo , plasticidad y alta conductividad eléctrica y térmica [16] . Esto indicaba que los átomos en la teoría atómica de John Dalton no eran indivisibles, como afirmaba el científico, sino que tenían una estructura interna. Davy también argumentó que los elementos que entonces se consideraban gases, como el nitrógeno y el hidrógeno , podrían licuarse en condiciones apropiadas y luego comportarse como metales [17] [18] [K 1] .

En 1823, Michael Faraday , entonces asistente en el laboratorio de Davy, licuó cloro con éxito y comenzó a licuar todos los elementos gaseosos conocidos excepto nitrógeno, hidrógeno y oxígeno [16] . Poco después, en 1869, el químico irlandés Thomas Andrews estudió la transición de fase de líquido a gas y acuñó el término punto crítico para describir el estado en el que el gas y el líquido eran indistinguibles como fases [19] , y el físico holandés Johannes van der Waals introdujo una base teórica que hizo posible predecir el comportamiento crítico basado en mediciones a temperaturas mucho más altas [20] :35–38 . En 1908, James Dewar y Heike Kamerling-Onnes licuaban con éxito hidrógeno y el gas recién descubierto, helio [21] .

Paul Drude en 1900 propuso el primer modelo teórico para un electrón clásico moviéndose en un metal [12] . El modelo de Drude describió 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 [22] [23] :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 , las propiedades magnéticas de los metales y la dependencia de la resistividad con la temperatura a bajas temperaturas [24] : 366–368 .

En 1911, tres años después de la primera licuefacción del helio, Onnes, trabajando en la Universidad de Leiden, descubrió la superconductividad del mercurio al observar cómo desaparecía su resistividad eléctrica a temperaturas por debajo de cierto valor [25] . Este fenómeno sorprendió a los mejores físicos teóricos de la época, permaneció inexplicable durante varias décadas [26] . Albert Einstein en 1922 dijo con respecto a las teorías modernas de la superconductividad que "con nuestra ignorancia de gran alcance de la mecánica cuántica de los sistemas compuestos, estamos muy lejos de poder componer una teoría a partir de estas ideas vagas" [27] .

El advenimiento de la mecánica cuántica

El modelo Drude clásico fue ampliado por Wolfgang Pauli , Arnold Sommerfeld , Felix Bloch y otros físicos. Pauli se dio cuenta de que los electrones libres en un metal deben obedecer a las estadísticas de Fermi-Dirac . Usando esta idea, desarrolló la teoría del paramagnetismo del gas de electrones en 1926. Poco después, Sommerfeld incorporó las estadísticas de Fermi-Dirac al modelo de electrones libres y obtuvo una explicación más precisa de la capacidad calorífica. Dos años más tarde, Bloch usó la mecánica cuántica para describir el movimiento de un electrón en una red periódica [24] :366–368 . Las matemáticas de las estructuras cristalinas desarrolladas por Auguste Bravais , Evgraf Fedorov y otros se utilizaron para clasificar los cristales según sus grupos de simetría , y las tablas de estructuras cristalinas fueron la base de la serie de colecciones International Tables of Crystallography , publicada por primera vez en 1935. Los cálculos de estructura de banda se utilizaron por primera vez en 1930 para predecir las propiedades de nuevos materiales, y en 1947 John Bardeen , Walter Brattain y William Shockley desarrollaron el primer transistor semiconductor , anunciando una revolución en la electrónica [12] .

En 1879, Edwin Herbert Hall , trabajando en la Universidad Johns Hopkins , descubrió el voltaje que ocurre en los conductores en la dirección transversal tanto a la corriente eléctrica como al campo magnético perpendicular a la corriente [28] . Este fenómeno, debido a la naturaleza de los portadores de carga en un conductor, pasó a denominarse efecto Hall , pero no fue debidamente explicado en su momento, ya que el electrón no se descubrió experimentalmente hasta 18 años después. Después del advenimiento de la mecánica cuántica , Lev Landau desarrolló la teoría de la cuantización de Landau en 1930 y sentó las bases para una explicación teórica del efecto Hall cuántico , descubierto medio siglo después [29] :458–460 [30] .

El magnetismo como propiedad de la materia se conoce en China desde el año 4000 a. mi. [31] :1–2 Sin embargo, los primeros estudios modernos del magnetismo no comenzaron hasta el desarrollo de la electrodinámica por parte de Faraday, Maxwell y otros en el siglo XIX , que incluía la clasificación de materiales como ferromagnéticos , paramagnéticos y diamagnéticos en función de su respuesta a un campo magnético [32] . Pierre Curie investigó la dependencia de la magnetización con la temperatura y descubrió la transición de fase puntual en los materiales ferromagnéticos que llevan su nombre. En 1906, Pierre Weiss introdujo el concepto de dominios magnéticos para explicar las propiedades básicas de los ferromagnetos [33] :9 . El primer intento de una descripción microscópica del magnetismo fue realizado por Wilhelm Lenz y Ernst Ising utilizando el modelo de Ising , que describía los materiales magnéticos como una red periódica de espines que colectivamente se magnetizaban. Las soluciones exactas del modelo de Ising mostraron que la magnetización espontánea no puede ocurrir en una dimensión, pero es posible en redes multidimensionales. Investigaciones posteriores, en particular el trabajo de Bloch sobre ondas de espín y Neel sobre antiferromagnetismo , condujeron al desarrollo de nuevos materiales magnéticos para la memoria en medios magnéticos [31] :36–38,g48 .

Física moderna de muchos cuerpos

El modelo de Sommerfeld y los modelos de espín del ferromagnetismo ilustran la aplicación exitosa de la mecánica cuántica a los problemas de la materia condensada en la década de 1930. Sin embargo, aún quedaban varios problemas sin resolver, en particular, la descripción de la superconductividad y el efecto Kondo [35] . Después de la Segunda Guerra Mundial, se aplicaron varias ideas de la teoría cuántica de campos a problemas de materia condensada. Estos incluyeron el descubrimiento de modos de excitación colectivos en sólidos llamados cuasipartículas . El físico ruso Lev Landau utilizó la idea de la teoría del líquido de Fermi que creó , en la que las propiedades de baja energía de los sistemas fermiónicos que interactúan se daban en términos de cuasipartículas de Landau. Landau también desarrolló una teoría de campo medio para transiciones de fase continuas, en la que las fases ordenadas se describen como ruptura espontánea de simetría . La teoría también introdujo el concepto de un parámetro de orden para distinguir entre fases ordenadas. Como resultado, en 1965, John Bardeen , Leon Cooper y John Schrieffer desarrollaron la llamada teoría BCS de la superconductividad, basada en el descubrimiento de que una atracción arbitrariamente pequeña entre dos electrones con espines opuestos, transportados por fonones de red, puede conducir a la aparición de un estado ligado llamado par de Cooper [36] .

El estudio de la transición de fase y el comportamiento crítico de los parámetros, llamados fenómenos críticos , fue un área de gran interés en la década de 1960 [38] . Leo Kadanov , Benjamin Widom y Michael Fisher desarrollaron las ideas de Widom sobre exponentes críticos y escalas. Estas ideas fueron combinadas por Kenneth G. Wilson en 1972 bajo el formalismo de grupo de renormalización en el contexto de la teoría cuántica de campos [39] . El grupo de renormalización se formula en el contexto del llamado mecanismo de Kadanoff, que corresponde a la posibilidad de una descripción equivalente de las propiedades de una muestra macroscópica en la vecindad del punto de transición de fase usando una secuencia de diferentes modelos microscópicos interconectados por transformación el cambio en el valor de la escala microscópica "elemental" (por ejemplo, la constante de la red cristalina) con un cambio simultáneo apropiado de constantes de interacción [40] .

El efecto Hall cuántico fue descubierto por Klaus von Klitzing en 1980 cuando descubrió que la conductividad Hall en un sistema conductor bidimensional es un múltiplo entero de la constante fundamental (ver figura). El efecto no depende de parámetros tales como el tamaño del sistema y la presencia de impurezas [37] . En 1981, Robert Laughlin propuso una teoría para explicar la precisión imprevista de las mesetas de Hall. Implicaba que la conductividad de Hall se puede caracterizar en términos de una invariante topológica llamada número de Zheng [41] :69, 74 . Poco después, en 1982, Horst Stormer y Daniel Tsui observaron un efecto Hall cuántico fraccionario , donde la conductividad era un múltiplo racional de una constante . Laughlin se dio cuenta en 1983 de que esto es una consecuencia de la interacción de las cuasipartículas en los estados de Hall y encontró una solución usando el método variacional , más tarde llamado función de onda de Laughlin [42] .

En 1986 , Karl Müller y Johannes Bednorz descubrieron el primer superconductor de alta temperatura  , un material que era superconductor a temperaturas de hasta 50 Kelvin . Resultó que los superconductores de alta temperatura son ejemplos de materiales fuertemente correlacionados en los que las interacciones electrón-electrón juegan un papel importante [43] .

Teoría

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 teoría 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 , los exponentes críticos y el uso de métodos matemáticos de la teoría cuántica de campos y el grupo de renormalización . La investigación teórica moderna incluye el uso de cálculos numéricos de estructura electrónica y herramientas matemáticas para comprender fenómenos como la superconductividad a alta temperatura , las fases topológicas y las simetrías de calibre [44] [45] [46] .

La simetría y su violación

La simetría es un aspecto importante de cualquier teoría física y, a menudo, incluso sin conocer una imagen detallada de un fenómeno, nos permite sacar algunas conclusiones constructivas. La mayoría de las declaraciones exactas en física se derivan de las propiedades de simetría del sistema [47] . Un ejemplo común son los grupos de simetría de puntos cristalográficos de sólidos y su relación con la estructura de bandas electrónicas [48] .

En algunos estados de la materia, se observa ruptura de simetría , cuando las leyes de la física correspondientes han roto la simetría . Un ejemplo típico son los sólidos cristalinos , que rompen la simetría traslacional continua . Otros ejemplos incluyen ferromagnetos magnetizados , que rompen la simetría rotacional , y estados más exóticos como el estado fundamental del superconductor BCS , que rompe la simetría rotacional U (1) [49] [50] .

El teorema de Goldstone en la teoría cuántica de campos establece que en un sistema con simetría continua rota, pueden existir excitaciones de energía arbitrariamente baja, llamadas bosones de Goldstone . Por ejemplo, en sólidos cristalinos corresponden a fonones , que son versiones cuantificadas de vibraciones de la red cristalina [51] .

Teoría electrónica de sólidos

Históricamente, el estado metálico ha sido un componente importante para estudiar las propiedades de los sólidos. La primera descripción teórica de los metales la dio Paul Drude en 1900 con el modelo Drude , que explicaba las propiedades eléctricas y térmicas al describir el metal como un gas ideal de electrones recién descubiertos . Pudo derivar la ley empírica de Wiedemann-Franz y obtener resultados que concuerdan estrechamente con los experimentos [23] :90–91 . Arnold Sommerfeld mejoró este modelo clásico al incluir estadísticas electrónicas y pudo explicar el comportamiento anómalo del calor específico de los metales en la ley de Wiedemann-Franz [23] :101–103 . En 1912, Max von Laue y Paul Knipping estudiaron la estructura de los sólidos cristalinos cuando observaron el patrón de rayos X de los cristales y concluyeron que los cristales tienen una estructura atómica en forma de redes periódicas [23] :48 [52] . En 1928, el físico suizo Felix Bloch presentó una solución a la ecuación de Schrödinger con un potencial periódico , denominada onda de Bloch [53] .

Determinar las propiedades electrónicas de los metales mediante la búsqueda de la función de onda multipartícula es generalmente una tarea computacionalmente difícil y, por lo tanto, se deben usar métodos aproximados para hacer predicciones significativas [54] . La teoría de Thomas-Fermi , desarrollada en la década de 1920, se utilizó para estimar la energía y la densidad electrónica del sistema al tratar la densidad electrónica local como un parámetro variacional . Más tarde, en la década de 1930, Douglas Hartree , Vladimir Fock y John Slater desarrollaron el llamado método Hartree-Fock para mejorar el modelo de Thomas-Fermi. El método de Hartree-Fock tuvo en cuenta las estadísticas de intercambio de funciones de onda de electrones de una sola partícula. En general, es muy difícil resolver la ecuación de Hartree-Fock. Solo el caso con un gas de electrones libres tiene una solución exacta [55] :330–337 . Finalmente, en 1964-65, Walter Cohn , Pierre Hohenberg y Lou Je Cham propusieron la teoría funcional de la densidad , que proporcionaba descripciones realistas de las propiedades de la superficie y la masa de los metales. La teoría funcional de la densidad se ha utilizado ampliamente desde la década de 1970 para calcular la estructura de bandas de varios sólidos [54] . Para estudiar los efectos de muchas partículas de la interacción electrón-electrón, mejor acuerdo con el experimento de bandas prohibidas de semiconductores y estados excitados, se utilizan los métodos de las funciones de Green de muchas partículas y sus aproximaciones, por ejemplo, la aproximación GW [56 ] , la ecuación de Bethe-Salpeter [57] .

Las crecientes capacidades computacionales y el progreso en los métodos numéricos, que son cada vez más atraídos por los algoritmos de aprendizaje automático , hacen posible pasar del método experimental de descubrimiento de nuevos materiales a la predicción de las propiedades estructurales y de otro tipo de nuevos compuestos, en particular, se están creando nuevas bases de datos. para millones de compuestos químicos y cristales: Materials Project [58] , Open Quantum Materials Database [59] , Automatic Flow for Materials Discovery [60] ; y materiales bidimensionales: C2DB [61] , 2DMatPedia [62] . Los modernos paquetes gratuitos y comerciales para calcular la estructura electrónica a partir de primeros principios se caracterizan por el uso de la computación paralela , que se utiliza en los procesadores gráficos . Entre los programas más utilizados se encuentran Abinit [63] , VASP [64] , WIEN2k [65] , Quantum ESPRESSO [66] .

Transición de fase

La transición de fase se refiere a un cambio en la fase de un sistema causado por un cambio en un parámetro externo como la temperatura . La transición de fase clásica ocurre a una temperatura finita, cuando se destruye el orden del sistema. Por ejemplo, cuando el hielo se derrite y se convierte en agua, la estructura cristalina ordenada se destruye. Las transiciones de fase cuánticas tienen la temperatura en el cero absoluto y utilizan parámetros no térmicos para controlar la transición de fase, como la presión o el campo magnético, cuando el orden es destruido por las fluctuaciones cuánticas , que surgen del principio de incertidumbre de Heisenberg . Aquí, diferentes fases cuánticas del sistema se refieren a diferentes estados fundamentales de la matriz hamiltoniana. Comprender el comportamiento de una transición de fase cuántica es importante en los complejos problemas de explicación de las propiedades de los aislantes magnéticos de tierras raras, los superconductores de alta temperatura y otras sustancias [67] .

Hay dos clases de transiciones de fase: transiciones de primer orden y transiciones de segundo orden o continuas . Para una transición continua, 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 algunas de sus propiedades, como la longitud de correlación, el calor específico y la susceptibilidad magnética , divergen exponencialmente [67] . Estos fenómenos críticos presentan un serio problema para los físicos porque las leyes macroscópicas usuales ya no se aplican en esta área, y deben surgir nuevas ideas y métodos para encontrar las leyes que describen el sistema [68] :75 .

La teoría más simple que puede describir transiciones de fase continuas es la teoría de Ginzburg-Landau , que opera en la denominada aproximación de campo medio . Sin embargo, solo explica aproximadamente la transición de fase continua para los superconductores ferroeléctricos y de tipo I, que implican interacciones microscópicas a grandes distancias. Para otros tipos de sistemas que incluyen interacciones cercanas cerca del punto crítico, se necesita una teoría mejorada [69] :8–11 .

Cerca del punto crítico, las fluctuaciones ocurren en una amplia gama de escalas, mientras que la característica de todo el sistema es invariable a escala. Los métodos de grupo de renormalización promedian consistentemente las oscilaciones más cortas en etapas, guardando su influencia para la siguiente etapa. De esta forma, es posible investigar sistemáticamente los cambios en el sistema físico, considerados a diferentes escalas. Estos métodos, junto con poderosas simulaciones por computadora, hacen una gran contribución a la explicación de los fenómenos críticos asociados con las transiciones de fase continuas [68] :11 .

Experimento

La física experimental de la materia condensada implica el uso de métodos e instrumentos experimentales para descubrir y explicar nuevas propiedades de los materiales. Dichos instrumentos miden los efectos de los campos eléctricos y magnéticos , las funciones de cambio de respuesta , las propiedades de transporte y la termometría [70] . Las técnicas experimentales comúnmente utilizadas incluyen espectroscopia con detectores de rayos X , radiación infrarroja y dispersión inelástica de neutrones; estudio de respuesta térmica utilizando capacidad calorífica específica y medición de transferencia de calor y conductividad térmica , mediciones eléctricas.

Dispersión

Varios experimentos con materia condensada involucran la dispersión de rayos X , fotones ópticos , neutrones por componentes materiales. La elección de la radiación de dispersión depende de la escala de la energía observada. La luz visible tiene una energía en la escala de 1 electronvoltio (eV) y se usa para medir la permitividad y el índice de refracción . Los rayos X tienen una energía del orden de 10 keV y, por lo tanto, son capaces de medir escalas de longitud atómica y se utilizan para medir la densidad de carga de electrones [71] :33–34 .

Los neutrones se utilizan para estudiar escalas atómicas, para estudiar la dispersión por núcleos, espines de electrones y magnetización (porque los neutrones tienen espín pero no carga). Las mediciones de la dispersión de Coulomb y Mott se realizan utilizando haces de electrones con la detección posterior de partículas dispersas [71] :33–34 [72] :39–43 . De manera similar, la aniquilación de positrones se usa para mediciones indirectas de la densidad electrónica local [73] . La espectroscopia láser es una excelente herramienta para estudiar las propiedades microscópicas de un medio, por ejemplo, para estudiar transiciones prohibidas en medios con susceptibilidad óptica no lineal [68] :258–259 .

Los electrones de baja energía (hasta 1 keV ) penetran débilmente en los cristales debido a la gran sección transversal de dispersión y, por lo tanto, son ideales para estudiar superficies cristalinas mediante difracción de electrones [74] . El deseo de conocer las propiedades de las regiones cercanas a la superficie está motivado por la creación de nuevos materiales con control de crecimiento, por ejemplo, en la epitaxia de haces moleculares [75] . Los materiales bidimensionales difieren de los tridimensionales en la ausencia de volumen, por lo tanto, la microscopía electrónica de transmisión , que opera con energías del orden de decenas de keV con corrección de aberración, permite monitorear la posición de átomos individuales en amorfos de dos átomos. estructuras dimensionales, como resultado de lo cual es posible obtener una imagen de deformaciones plásticas en vidrio bidimensional bajo la acción de esfuerzos cortantes con átomos individuales de movimiento complejo [76] .

Campos magnéticos externos

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 [77] . La resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica mediante la cual se utilizan campos magnéticos externos para encontrar los modos de resonancia de electrones individuales, lo que proporciona información sobre la estructura atómica, molecular y de coordinación de su entorno. Los experimentos de RMN se llevan a cabo en campos magnéticos de hasta 60 Tesla . Los campos magnéticos más altos mejorarán la calidad de los datos de medición de RMN [78] :69 [79] :185 . La investigación de la oscilación cuántica es otra técnica experimental que utiliza fuertes campos magnéticos para estudiar las propiedades de los materiales, como la geometría de la superficie de Fermi [80] . Los campos magnéticos intensos serán útiles en las pruebas experimentales de varias predicciones teóricas, como el efecto magnetoeléctrico cuantificado, el monopolo magnético observado en los sólidos y el efecto Hall cuántico medio entero [78] :57 .

Materia bajo alta presión

Todos los gases se solidifican a una temperatura suficientemente baja y una presión no superior a 15 GPa [81] . Las propiedades de los sólidos dependen de la estructura de la red cristalina, por lo tanto, la presión externa conduce a un cambio en la estructura de bandas de los materiales y, pueden adquirir propiedades inusuales, experimentar transformaciones de fase, como, por ejemplo, ocurre con los diamantes en las tuberías de kimberlita . [82] . Las altas presiones se obtienen en el laboratorio en celdas con yunques de diamante . Con una configuración de este tipo, la superconductividad a temperatura ambiente se demostró en CSH 8 [83] en 2020 .

Gases atómicos fríos

La captura de átomos ultrafríos en redes ópticas es una herramienta experimental comúnmente utilizada en física de la materia condensada, así como en física atómica, molecular y óptica . Este método implica el uso de láseres ópticos para formar un patrón de interferencia que actúa como una red en la que los iones o átomos quedan atrapados a temperaturas muy bajas. Los átomos fríos en redes ópticas se utilizan como simuladores cuánticos , es decir, actúan como sistemas controlados que simulan el comportamiento de sistemas más complejos como los imanes de frustración [84] . En particular, se utilizan para crear redes unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales del modelo de Hubbard con parámetros predeterminados, así como para estudiar transiciones de fase en materiales antiferromagnéticos y líquidos de espín [85] [86] .

En 1995, un gas de átomos de rubidio , enfriado a una temperatura de 170 nK, se utilizó para realizar experimentalmente el condensado de Bose-Einstein , un nuevo estado de la materia originalmente predicho por C. Bose y Albert Einstein , en el que una gran cantidad de átomos ocupan un estado cuántico [87] .

Computación Cuántica

En la computación cuántica, la información se representa mediante bits cuánticos o qubits . Los qubits pueden sufrir decoherencia antes de completar los cálculos y perder la información almacenada. Este grave problema limita la aplicación práctica de la computación cuántica [88] . Para resolver este problema, se han propuesto varios enfoques prometedores en la física de la materia condensada, que incluyen qubits basados ​​en uniones de Josephson , qubits espintrónicos que utilizan materiales magnéticos o aniones topológicos no abelianos de estados del efecto Hall cuántico fraccional [89] . A pesar de que las computadoras cuánticas deben contener miles de qubits para cálculos útiles en la práctica, algunos resultados nos permiten sacar conclusiones sobre la implementación de la superioridad cuántica en un sistema de 49 qubits, es decir, de hecho, para resolver un problema que resulta ser ser demasiado difícil para las computadoras clásicas [90] . Otra área de aplicación de los qubits es la simulación de sistemas cuánticos reales en el llamado simulador cuántico propuesto por Yuri Manin y Richard Feynman a principios de la década de 1980 [91] [92] . En lugar de explorar el sistema cuántico original, se puede considerar su implementación a través de qubits, que reproducen los mismos efectos físicos, pero en un sistema más controlado. De esta forma, se ha implementado un aislador de Mott en un sistema Bose-Hubbard con disipación controlada, y se han estudiado las transiciones de fase en redes de resonadores superconductores acoplados a qubits [93] [94] .

materiales 2D

Recién en 2004, científicos de la Universidad de Manchester crearon el primer transistor de efecto de campo a partir de grafeno  , una modificación bidimensional del carbono [95] . La flexibilidad de manejar materiales 2D y sus propiedades únicas ha atraído a muchos investigadores y, por lo tanto, la familia de materiales 2D está creciendo rápidamente. Los materiales bidimensionales demuestran efectos bien conocidos, como el ferromagnetismo [96] , la superconductividad [97] [98] , la ferroelectricidad [99] , pero la capacidad de influir en las propiedades de un material bidimensional a través del efecto de campo abre amplias perspectivas para aplicaciones prácticas en electrónica [100] . Se sabe que cuando un superconductor y un metal ordinario entran en contacto, los pares de Cooper penetran en un metal normal, es decir, un metal normal adquiere las propiedades de un superconductor; este efecto se denomina efecto de proximidad . Para los materiales bidimensionales, las propiedades de los materiales cercanos, ya sea un superconductor, un ferroimán o un material con una fuerte interacción espín-órbita, se manifiestan parcialmente en los materiales adyacentes en forma debilitada. El grafeno, por ejemplo, puede exhibir superconductividad cuando está en contacto con un superconductor, ferromagnetismo cuando está en contacto con un aislante ferromagnético o interacción espín-órbita cuando está en contacto con materiales apropiados [101] . Las propiedades de los materiales adquieren nuevas características con el efecto de la proximidad entre materiales magnéticos [102] . Las redes puras e ideales de materiales bidimensionales cambian las propiedades de los materiales bien estudiados debido a la formación de un potencial de superred; como resultado, ha surgido un campo de investigación como la twistrónica [97] . La rotación relativa de dos capas de grafeno se puede demostrar utilizando la aguja de un microscopio de fuerza atómica [103] . Todos estos efectos pueden ser controlados por medio de un campo eléctrico [104] . En el vacío, los líquidos se evaporan a temperatura ambiente, lo que hace imposible utilizar la microscopía electrónica para estudiar objetos orgánicos como proteínas y células vivas. El grafeno, al ser impenetrable para todos los elementos químicos y ser lo suficientemente delgado, protege a la célula viva de la desecación en el vacío ultraalto de un microscopio electrónico de barrido [105] .

Aplicaciones

La investigación en física de la materia condensada ha dado lugar a muchas aplicaciones importantes, como el desarrollo del transistor semiconductor [12] , la tecnología láser [68] y una serie de fenómenos estudiados en el contexto de la nanotecnología [106] : 111ff . La microscopía de túnel de barrido se utiliza para controlar procesos a escala nanométrica , lo que ha llevado al desarrollo de la nanotecnología [89] .

La mayor contribución de la física de la materia condensada al campo aplicado está asociada con el descubrimiento de los transistores. La capacidad de control de los transistores de efecto de campo planares depende de la capacitancia entre la puerta y el canal del transistor. La electrónica moderna se está moviendo hacia arquitecturas de transistores 3D, los llamados FinFET (Transistor de efecto de campo de puerta vertical), donde la respuesta de frecuencia y las fugas se pueden mejorar mucho [107] . Para aumentar aún más el rendimiento, la compuerta debe ubicarse alrededor de un canal conductor (transistor de efecto de campo con una compuerta integral), que toma la forma de un nanocable [108] . A pesar del papel dominante de la tecnología del silicio en la producción de circuitos integrados, existen intentos exitosos de utilizar nuevos materiales para la producción de procesadores, en particular, disulfuro de molibdeno bidimensional [109] y nanotubos de carbono [110] .

El estado intermedio entre líquidos y sólidos lo ocupa la materia blanda , muy utilizada en la vida cotidiana en términos de polímeros, tejidos y madera, que reaccionan fuertemente a las perturbaciones externas debido a la debilidad de los enlaces entre sus partículas constituyentes (principalmente las más débiles van der Waals y enlaces de hidrógeno ) [111] . La baja densidad de la fibra de carbono y las propiedades mecánicas de la fibra de carbono permiten el uso de materiales compuestos en áreas donde la relación resistencia-peso del material es importante, como la construcción de aeronaves y equipos deportivos [112] . Los cristales líquidos han encontrado aplicación en la electrónica [113] . La física de la materia condensada también tiene aplicaciones importantes para la biofísica , por ejemplo, se ha creado un método experimental de formación de imágenes por resonancia magnética , que se utiliza ampliamente en el diagnóstico médico [89] .

El Internet de las Cosas requiere fuentes de energía sin necesidad de contaminación periódica, y se supone que la fuente de energía para tales sistemas serán fuentes ambientales: vibraciones, señales de radio, calor. La captación de energía va acompañada de su transformación en energía eléctrica y almacenamiento en baterías. Los dispositivos microelectromecánicos se utilizan para convertir las vibraciones , utilizando diversos fenómenos físicos, como el efecto piezoeléctrico inverso , la magnetoestricción , las antenas y la rectificación de señales que se requieren para recolectar el espectro de radiofrecuencia . Hasta el 70 % de la energía principal suele convertirse en calor, lo que requiere el desarrollo de varios termoelementos para capturar y reutilizar esta energía perdida [114] .

Notas

Comentarios
  1. ↑ Desde entonces, tanto el hidrógeno como el nitrógeno se han licuado; sin embargo, el nitrógeno líquido ordinario y el hidrógeno no tienen propiedades metálicas. Los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron en 1935 que existe un estado de hidrógeno metálico a presiones suficientemente altas (superiores a 25 GPa), lo que no se ha observado experimentalmente.
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