La física del estado sólido es el estudio de la materia rígida , o sólidos , a través de métodos como la química del estado sólido , 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 lo tanto, la física del estado sólido forma una base teórica de la ciencia de los materiales . Junto con la química del estado sólido , también tiene aplicaciones directas 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 hielo de agua común ) o irregular (un sólido amorfo como el vidrio común de una ventana ).
La mayor parte de la física del estado sólido, como teoría general, se centra en los cristales . Esto se debe principalmente a que la periodicidad de los átomos en un cristal (su característica definitoria) facilita el modelado matemático. Asimismo, los materiales cristalinos suelen tener propiedades eléctricas , magnéticas , ópticas o mecánicas que pueden aprovecharse 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 iones de sodio 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 mediante enlaces metálicos . Por último, los gases nobles no sufren ninguno de estos tipos de enlaces. En forma sólida, los gases nobles se mantienen unidos mediante fuerzas de van der Waals resultantes de la polarización de la nube de carga electrónica de 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 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 . La DSSP atendía a los físicos industriales, y la física del estado sólido se asoció con las aplicaciones tecnológicas que posibilitaban la investigación sobre sólidos. A principios de la década de 1960, la DSSP era la división más grande de la Sociedad Estadounidense de Física. [1] [2]
Grandes comunidades de físicos del estado sólido también surgieron 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 destacado a través de sus investigaciones sobre semiconductores , superconductividad , resonancia magnética nuclear y otros fenómenos diversos. Durante la Guerra Fría temprana, 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 organizó en torno a técnicas comunes utilizadas para investigar sólidos, líquidos, plasmas y otras materias complejas. [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.
Muchas propiedades de los materiales se ven afectadas por su estructura cristalina . Esta estructura se puede investigar utilizando una variedad de técnicas cristalográficas , incluidas la cristalografía de rayos X , la difracción de neutrones y la difracción de electrones .
Los tamaños de los cristales individuales en un material sólido cristalino varían según el material en cuestión y las condiciones en las que se formó. La mayoría de los materiales cristalinos que encontramos en la vida cotidiana son policristalinos , y los cristales individuales son microscópicos en escala, pero los cristales individuales macroscópicos se pueden producir de forma natural (por ejemplo, los diamantes ) o artificial.
Los cristales reales presentan defectos o irregularidades en las disposiciones ideales, y son estos defectos los que determinan críticamente muchas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales reales.
Las propiedades de los materiales, como la conducción eléctrica y la capacidad térmica , se investigan mediante la física del estado sólido. Un modelo temprano de conducción eléctrica fue el modelo de Drude , que aplicó la teoría cinética a los electrones en un sólido. Al suponer que el material contiene iones positivos inmóviles y un "gas de electrones" de electrones clásicos que no interactúan, el modelo de Drude pudo explicar la conductividad eléctrica y térmica y el efecto Hall en los metales, aunque sobreestimó en gran medida la capacidad térmica electrónica.
Arnold Sommerfeld combinó el modelo clásico de Drude con la mecánica cuántica en el modelo del electrón libre (o modelo de Drude-Sommerfeld). En este modelo, los electrones se modelan como un gas de Fermi , un gas de partículas que obedecen a la estadística de Fermi-Dirac de la mecánica cuántica . El modelo del electrón libre proporcionó predicciones mejoradas para la capacidad térmica de los metales, sin embargo, no pudo explicar la existencia de aislantes .
El modelo del electrón casi libre es una modificación del modelo del electrón libre que incluye una perturbación periódica débil destinada a modelar la interacción entre los electrones de conducción y los iones en un sólido cristalino. Al introducir la idea de bandas electrónicas , la teoría explica la existencia de conductores , semiconductores y aislantes .
El modelo del electrón casi libre reescribe la ecuación de Schrödinger para el caso de un potencial periódico . Las soluciones en este caso se conocen como estados de Bloch . Dado que el teorema de Bloch se aplica solo a potenciales periódicos, y dado que los movimientos aleatorios incesantes de los átomos en un cristal alteran la periodicidad, este uso del teorema de Bloch es solo una aproximación, pero ha demostrado ser una aproximación tremendamente valiosa, sin la cual la mayoría de los análisis de física del estado sólido serían intratables. Las desviaciones de la periodicidad se tratan mediante la teoría de perturbaciones de la mecánica cuántica .
Los temas de investigación modernos en física del estado sólido incluyen:
