Большинство физических веществ в основном состоянии имеет исключительно кристаллическое строение, характеризующееся трансляционной асимметрией, а также симметрией относительно отражений и вращений. Если твердые тела по своей форме не имеют кристалликов, они состоят из этих соединений, которые хаотично расположены друг к другу. Кристаллическую структуру возможно определить посредством правильного рассеяния рентгеновских лучей, электронов или нейтронов.
Открытые 22 года назад высокотемпературные сверхпроводники вызвали повышенный интерес к физике конденсированного состояния. Эти устройства предоставили возможность использовать для охлаждения недорогой жидкий азот, а также пробудили надежду на получение сверхпроводимости при обычных, комнатных температурах.
Физика конденсированного состояния — одна из самых интересных областей физики с точки зрения математических моделей и разнообразных приложений к реальности.
Конденсированные пространства с различными свойствами можно встретить абсолютно повсюду: аморфные тела и кристаллы, обычные жидкости, материалы со сложной многогранной структурой, квантовые жидкости (сверхтекучие среды, электронная жидкость в металлах, нейтронные частицы, атомные ядра), магнитные моменты, спиновые цепочки и сложные сети.
Введение в теорию конденсированного состояния
Вещество в естественных условиях может находиться в четырех основных, агрегатных состояниях:
- плазма;
- газ;
- жидкость;
- твердое тело, состоящие из ядер и электронов.
В действительности разнообразие вещества определяется физическими силами, которые связывают микрочастицы с их тепловым движением, стремящимся вырваться из этой связи. Следовательно, по мере увеличения температуры и средней кинетической мощности теплового движения вещество постепенно переходит в жидкое состояние, а затем в плазменное или газообразное.
В плазме насыщенность такого движения разрушает все электронные оболочки атомов, и в веществе остаются только электроны и ионы, которые при высоких температурах лишаются своих оболочек. В этом случае плазму называют горячей.
Для того, чтобы иметь представление о температурах, при которых тело будет находиться в плазменном состоянии, необходимо оценить температуру, выше которой водород выступать в виде плазмы. Это возможно, если средние показатель кинетической энергии частиц ($~kT$) будет больше энергии ионизации водорода $Ei$.
В газах ядра и электроны объединяются в атомы и молекулы, которые практически не связаны между собой. При температуре ниже градуса кипения тепловое движение веществ не может самостоятельно разорвать связи между основными структурными элементами. В результате этого, частицы пребывают в конденсированном состоянии: твердом и жидком. При подобном давлении плотности вещества в указанных состоянии почти не отличаются.
Характер тел в конденсированном состоянии
На сегодняшний день физики различают аморфные и кристаллические твердые тела. В кристаллах равносильные положения атомов формируют систематически повторяющуюся структуру, которая называется кристаллической (дальний порядок). В аморфных твердых телах повторяемость центральных элементов структуры может распространиться только на определенные группы атомов (ближний порядок). Стоит отметить, что дальний порядок в аморфных частиц полностью отсутствует, поэтому именно эти вещества исследованы намного хуже кристаллических.
По характеру интенсивности, соединяющей между собой ионы и атомы, твердые тела можно разделить на:
- ионные;
- ковалентные;
- металлические;
- молекулярные кристаллы.
Четкой и обозначенной границы между ними не существует, но такое разделение помогает ученым отражать преимущественный тип интенсивности между основными структурными элементами конкретного вещества.
Насыщенность межатомных сил основывается на энергии связи, необходимой для полноценного разделения твердой частицы на отдельные молекулы, атомы и ионы.
В физике конденсированного состояния центральную роль играют так водородные связи, которые осуществляются с помощью ядра атома водорода - протона. Деление всех конденсированных веществ по типу связи считается в значительной мере условным.
Такое явление можно наблюдать на примере обычного твердого углерода. В кристаллической форме алмаза углерод выступает идеальным диэлектриком и четко выраженным ковалентным кристаллом. У углерода в виде графита параллельно с ковалентными взаимосвязями между слоями часто проявляются металлические характеристики самих слоев. Поэтому графит имеет хорошую электропроводность.
Объекты и методы физики конденсированного состояния
Методологической базой исследования конденсированного состояния вещества выступает разнообразие физических законов как макроскопической физики, так и механики, электродинамики, термодинамики, квантовой теории и статистической физики с динамикой сплошных сред.
По сложившейся традиции, начиная со времен Ньютона и Галилея (XVII век), разделение физических объектов и изучения физики конденсированного состояния осуществляется посредством их структурных свойств, разъединенных на жидкости и твердые тела. Знакомство с такими объектами происходит на уровне феноменологического описания и началось еще задолго до становления физики как полноценной. Эти вещества составляют базу окружающего людей мира в виде литосферы, атмосферы и гидросферы нашей планеты, поэтому они доступны естественному восприятию органами чувств.
То же можно отнести и к делению тел по оптическим параметрам на прозрачные и непрозрачные в доступном диапазоне электромагнитной шкалы длин частотных волн. Начиная приблизительно с начала 20-го века в физике конденсированного состояния возникло два основных направления, а именно физика «твердого» и «мягкого» состояний частиц; к последнему ученые относят различные объекты химии высокомолекулярных соединений – биополимеры, а также элементы физической химии – гели, аэрозоли и фуллерены.
На достижениях в области «твердого» вещества еще 60 лет назад базировалась значительная часть успешного использования физики конденсированного состояния, благодаря чему появились уникальные лазерные технологии, полупроводниковые оборудования, сверхпроводимость веществ. На сегодняшний день в компьютерных и других инновационных технологиях основная роль достается «мягкому» веществу.
Стремительное развитие физики конденсированного состояния продемонстрировало, что сверхпроводимость элементов может возникать путем совершенно иного механизма, причем не в металлических оболочках, а в оксидных прочных керамиках с примесями разнообразных элементов; важно, что это возможно только при очень высоких температурах.
Главная линия продвижения теории конденсированного состояния в последние несколько лет идет в направлении все более широкого использования с учетом особенностей строения реальных и неидеальных твердых тел с дефектами, сложных изотропных материалов, а также с уникальными свойствами квантовых «слоек» и «нитей», где особую роль играет туннельный видимый эффект, имеющий исключительно квантовую природу.
Новые достижения в области физики конденсированного состояния с каждым днем представляют еще более уникальные возможности. В частности, уже на данный момент получили широкое распространение частицы магнитной памяти нового поколения, который в своей работе используют принципы спинтроники на основе гигантского магнитосопротивления.
