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Física de la materia condensada

La física de la materia condensada es el campo de la física que estudia las propiedades físicas macroscópicas y microscópicas de la materia , especialmente las fases sólida y líquida , que surgen de las fuerzas electromagnéticas entre átomos y electrones . De manera más general, el tema trata de las fases condensadas de la materia: sistemas de muchos constituyentes con fuertes interacciones entre ellos. Las fases condensadas más exóticas incluyen la fase superconductora exhibida por ciertos materiales a temperaturas criogénicas extremadamente bajas , las fases ferromagnéticas y antiferromagnéticas de los espines en las redes cristalinas de los átomos, los condensados ​​de Bose-Einstein encontrados en sistemas atómicos ultrafríos y los cristales líquidos . Los físicos de la materia condensada buscan comprender el comportamiento de estas fases mediante experimentos para medir varias propiedades de los materiales y aplicando las leyes físicas de la mecánica cuántica , el electromagnetismo , la mecánica estadística y otras teorías físicas para desarrollar modelos matemáticos y predecir las propiedades de grupos extremadamente grandes de átomos. [1]

La diversidad de sistemas y fenómenos disponibles para el estudio hace que la física de la materia condensada sea el campo más activo de la física contemporánea: un tercio de todos los físicos estadounidenses se autoidentifican como físicos de la materia condensada, [2] y la División de Física de la Materia Condensada es la división más grande de la Sociedad Estadounidense de Física . [3] Estos incluyen físicos del estado sólido y de la materia blanda , que estudian las propiedades físicas cuánticas y no cuánticas de la materia respectivamente. [4] Ambos tipos estudian una gran variedad de materiales, lo que proporciona muchas oportunidades de investigación, financiación y empleo. [5] El campo se superpone con la química , la ciencia de los materiales , la ingeniería y la nanotecnología , y se relaciona estrechamente con la física atómica y la biofísica . La física teórica de la materia condensada comparte conceptos y métodos importantes con la física de partículas y la física nuclear . [6]

Una variedad de temas en física como la cristalografía , la metalurgia , la elasticidad , el magnetismo , etc., fueron tratados como áreas distintas hasta la década de 1940, cuando se agruparon como física del estado sólido . Alrededor de la década de 1960, el estudio de las propiedades físicas de los líquidos se agregó a esta lista, formando la base para la especialidad más integral de la física de la materia condensada. [7] Los Laboratorios Bell Telephone fueron uno de los primeros institutos en llevar a cabo un programa de investigación en física de la materia condensada. [7] Según el director fundador del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido , el profesor de física Manuel Cardona, fue Albert Einstein quien creó el campo moderno de la física de la materia condensada comenzando con su artículo seminal de 1905 sobre el efecto fotoeléctrico y la fotoluminiscencia que abrió los campos de la espectroscopia de fotoelectrones y la espectroscopia de fotoluminiscencia , y más tarde su artículo de 1907 sobre el calor específico de los sólidos que introdujo, por primera vez, el efecto de las vibraciones reticulares en las propiedades termodinámicas de los cristales, en particular el calor específico . [8] El subdirector del Instituto Cuántico de Yale, A. Douglas Stone, presenta un caso de prioridad similar para Einstein en su trabajo sobre la historia sintética de la mecánica cuántica . [9]

Etimología

Según el físico Philip Warren Anderson , el uso del término "materia condensada" para designar un campo de estudio fue acuñado por él y Volker Heine , cuando cambiaron el nombre de su grupo en los Laboratorios Cavendish , Cambridge , de teoría del estado sólido a teoría de la materia condensada en 1967, [10] ya que sentían que incluía mejor su interés en líquidos, materia nuclear , etc. [11] [12] Aunque Anderson y Heine ayudaron a popularizar el nombre "materia condensada", se había utilizado en Europa durante algunos años, de forma más destacada en la revista Springer-Verlag Physics of Condensed Matter , lanzada en 1963. [13] El nombre "física de la materia condensada" enfatizaba la similitud de los problemas científicos que encontraban los físicos que trabajaban en sólidos, líquidos, plasmas y otras materias complejas, mientras que la "física del estado sólido" a menudo se asociaba con aplicaciones industriales restringidas de metales y semiconductores. En las décadas de 1960 y 1970, algunos físicos consideraron que el nombre más amplio se ajustaba mejor al entorno de financiación y a la política de la Guerra Fría de la época. [14]

Las referencias a estados "condensados" se pueden rastrear hasta fuentes anteriores. Por ejemplo, en la introducción a su libro de 1947 Teoría cinética de los líquidos , [15] Yakov Frenkel propuso que "la teoría cinética de los líquidos debe desarrollarse, por consiguiente, como una generalización y extensión de la teoría cinética de los cuerpos sólidos. De hecho, sería más correcto unificarlas bajo el título de 'cuerpos condensados ' ".

Historia

Física clásica

Heike Kamerlingh Onnes y Johannes van der Waals con el licuador de helio en Leiden en 1908

Uno de los primeros estudios de los estados condensados ​​de la materia fue realizado por el químico inglés Humphry Davy , en las primeras décadas del siglo XIX. Davy observó que de los cuarenta elementos químicos conocidos en ese momento, veintiséis tenían propiedades metálicas como brillo , ductilidad y alta conductividad eléctrica y térmica. [16] Esto indicó que los átomos en la teoría atómica de John Dalton no eran indivisibles como Dalton afirmaba, sino que tenían estructura interna. Davy afirmó además que los elementos que entonces se creía que eran gases, como el nitrógeno y el hidrógeno, podían licuarse en las condiciones adecuadas y luego se comportarían como metales. [17] [nota 1]

En 1823, Michael Faraday , entonces asistente en el laboratorio de Davy, licuó con éxito el cloro y pasó a licuar todos los elementos gaseosos conocidos, excepto el nitrógeno, el hidrógeno y el oxígeno . [16] Poco después, en 1869, el químico irlandés Thomas Andrews estudió la transición de fase de un líquido a un gas y acuñó el término punto crítico para describir la condición en la que un gas y un líquido eran indistinguibles como fases, [19] y el físico holandés Johannes van der Waals proporcionó el marco teórico que permitió la predicción del comportamiento crítico basado en mediciones a temperaturas mucho más altas. [20] : 35–38  En 1908, James Dewar y Heike Kamerlingh Onnes pudieron licuar con éxito el hidrógeno y el entonces recién descubierto helio respectivamente. [16]

En 1900, Paul Drude propuso el primer modelo teórico para un electrón clásico que se mueve a través de un sólido metálico. [6] 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 . [21] [22] : 27–29  Sin embargo, a pesar del éxito del modelo de Drude , tenía un problema notable: no podía explicar correctamente la contribución electrónica al calor específico y las propiedades magnéticas de los metales, y la dependencia de la temperatura de la resistividad a bajas temperaturas. [23] : 366–368 

En 1911, tres años después de que el helio fuera licuado por primera vez, Onnes, que trabajaba en la Universidad de Leiden, descubrió la superconductividad en el mercurio , cuando observó que la resistividad eléctrica del mercurio desaparecía a temperaturas inferiores a un cierto valor. [24] El fenómeno sorprendió por completo a los mejores físicos teóricos de la época, y permaneció sin explicación durante varias décadas. [25] Albert Einstein , en 1922, dijo con respecto a las teorías contemporáneas de la superconductividad que "con nuestra ignorancia de largo alcance de la mecánica cuántica de los sistemas compuestos estamos muy lejos de ser capaces de componer una teoría a partir de estas ideas vagas". [26]

El advenimiento de la mecánica cuántica

El modelo clásico de Drude fue ampliado por Wolfgang Pauli , Arnold Sommerfeld , Felix Bloch y otros físicos. Pauli se dio cuenta de que los electrones libres en el metal deben obedecer a la estadística de Fermi-Dirac . Usando esta idea, desarrolló la teoría del paramagnetismo en 1926. Poco después, Sommerfeld incorporó la estadística de Fermi-Dirac al modelo del electrón libre y lo hizo mejor para explicar la capacidad calorífica. Dos años después, Bloch usó la mecánica cuántica para describir el movimiento de un electrón en una red periódica. [23] : 366–368 

Las matemáticas de las estructuras cristalinas desarrolladas por Auguste Bravais , Yevgraf Fyodorov y otros se utilizaron para clasificar los cristales por su grupo de simetría , y las tablas de estructuras cristalinas fueron la base de la serie Tablas Internacionales de Cristalografía , publicadas por primera vez en 1935. [27] Los cálculos de estructura de bandas 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 basado en semiconductores , anunciando una revolución en la electrónica. [6]

Una réplica del primer transistor de contacto puntual en los laboratorios Bell

En 1879, Edwin Herbert Hall, que trabajaba en la Universidad Johns Hopkins, descubrió que se desarrollaba un voltaje a través de los conductores que era transversal tanto a una corriente eléctrica en el conductor como a un campo magnético aplicado perpendicularmente a la corriente. [28] Este fenómeno, que surge debido a la naturaleza de los portadores de carga en el conductor, llegó a denominarse efecto Hall , pero no se explicó adecuadamente en ese momento porque el electrón no se descubrió experimentalmente hasta 18 años después. Después del advenimiento de la mecánica cuántica, Lev Landau en 1930 desarrolló la teoría de la cuantificación de Landau y sentó las bases para una explicación teórica del efecto Hall cuántico que se descubrió medio siglo después. [29] : 458–460  [30]

El magnetismo como propiedad de la materia se conoce en China desde el año 4000 a. C. [31] : 1–2  Sin embargo, los primeros estudios modernos sobre el magnetismo solo comenzaron con el desarrollo de la electrodinámica por Faraday, Maxwell y otros en el siglo XIX, que incluía la clasificación de los materiales como ferromagnéticos , paramagnéticos y diamagnéticos según su respuesta a la magnetización. [32] Pierre Curie estudió la dependencia de la magnetización con la temperatura y descubrió la transición de fase del punto de Curie en materiales ferromagnéticos. [31] En 1906, Pierre Weiss introdujo el concepto de dominios magnéticos para explicar las principales propiedades de los ferroimanes. [33] : 9  El primer intento de descripción microscópica del magnetismo fue realizado por Wilhelm Lenz y Ernst Ising a través del modelo de Ising que describía los materiales magnéticos como compuestos por una red periódica de espines que adquirían magnetización colectivamente. [31] El modelo de Ising se resolvió con exactitud para demostrar que la magnetización espontánea puede ocurrir en una dimensión y es posible en redes de dimensiones superiores. Investigaciones posteriores, como las de Bloch sobre las ondas de espín y las de Néel sobre el antiferromagnetismo, llevaron al desarrollo de nuevos materiales magnéticos con aplicaciones en dispositivos de almacenamiento magnético . [31] : 36–38, g48 

Física moderna de muchos cuerpos

Un imán levitando sobre un material superconductor.
Un imán que levita sobre un superconductor de alta temperatura . En la actualidad, algunos físicos están trabajando para comprender la superconductividad de alta temperatura utilizando la correspondencia AdS/CFT. [34]

El modelo de Sommerfeld y los modelos de espín para el ferromagnetismo ilustraron la aplicación exitosa de la mecánica cuántica a los problemas de materia condensada en la década de 1930. Sin embargo, todavía había varios problemas sin resolver, en particular la descripción de la superconductividad y el efecto Kondo . [35] Después de la Segunda Guerra Mundial , varias ideas de la teoría cuántica de campos se aplicaron a los problemas de materia condensada. Estas incluyeron el reconocimiento de los modos de excitación colectiva de los sólidos y la importante noción de cuasipartícula. El físico soviético Lev Landau utilizó la idea para la teoría del líquido de Fermi en la que las propiedades de baja energía de los sistemas de fermiones en interacción se dieron en términos de lo que ahora se denomina cuasipartículas de Landau. [35] Landau también desarrolló una teoría de campo medio para transiciones de fase continuas, que describía las fases ordenadas como una ruptura espontánea de la simetría . La teoría también introdujo la noción de un parámetro de orden para distinguir entre fases ordenadas. [36] Finalmente, en 1956, John Bardeen , Leon Cooper y Robert Schrieffer desarrollaron la llamada teoría BCS de superconductividad, basada en el descubrimiento de que una atracción arbitrariamente pequeña entre dos electrones de espín opuesto mediada por fonones en la red puede dar lugar a un estado ligado llamado par de Cooper . [37]

El efecto Hall cuántico : componentes de la resistividad Hall en función del campo magnético externo [38] : fig. 14 

El estudio de las transiciones de fase y el comportamiento crítico de los observables, denominados fenómenos críticos , fue un importante campo de interés en la década de 1960. [39] Leo Kadanoff , Benjamin Widom y Michael Fisher desarrollaron las ideas de exponentes críticos y escalamiento de Widom . Estas ideas fueron unificadas por Kenneth G. Wilson en 1972, bajo el formalismo del grupo de renormalización en el contexto de la teoría cuántica de campos. [39]

El efecto Hall cuántico fue descubierto por Klaus von Klitzing , Dorda y Pepper en 1980 cuando observaron que la conductancia Hall era múltiplos enteros de una constante fundamental (ver figura). Se observó que el efecto era independiente de parámetros como el tamaño del sistema y las impurezas. [38] En 1981, el teórico Robert Laughlin propuso una teoría que explicaba la precisión inesperada de la meseta integral. También implicaba que la conductancia Hall es proporcional a un invariante topológico, llamado número de Chern , cuya relevancia para la estructura de bandas de los sólidos fue formulada por David J. Thouless y colaboradores. [40] [41] : 69, 74  Poco después, en 1982, Horst Störmer y Daniel Tsui observaron el efecto Hall cuántico fraccionario donde la conductancia era ahora un múltiplo racional de la constante . Laughlin, en 1983, se dio cuenta de que esto era una consecuencia de la interacción de cuasipartículas en los estados de Hall y formuló una solución de método variacional , llamada función de onda de Laughlin . [42] El estudio de las propiedades topológicas del efecto Hall fraccional sigue siendo un campo activo de investigación. [43] Décadas más tarde, la teoría de bandas topológicas antes mencionada presentada por David J. Thouless y colaboradores [44] se amplió aún más, lo que llevó al descubrimiento de los aislantes topológicos . [45] [46]

En 1986, Karl Müller y Johannes Bednorz descubrieron el primer superconductor de alta temperatura , La 2-x Ba x CuO 4 , que es superconductor a temperaturas tan altas como 39 kelvin . [47] Se observó que los superconductores de alta temperatura son ejemplos de materiales fuertemente correlacionados donde las interacciones electrón-electrón juegan un papel importante. [48] Aún no se conoce una descripción teórica satisfactoria de los superconductores de alta temperatura y el campo de los materiales fuertemente correlacionados continúa siendo un tema de investigación activo.

En 2012, varios grupos publicaron preimpresiones que sugieren que el hexaboruro de samario tiene las propiedades de un aislante topológico [49] de acuerdo con las predicciones teóricas anteriores. [50] Dado que el hexaboruro de samario es un aislante Kondo establecido , es decir, un material electrónico fuertemente correlacionado, se espera que la existencia de un estado de superficie de Dirac topológico en este material conduzca a un aislante topológico con fuertes correlaciones electrónicas.

Teorético

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 de Drude , la estructura de bandas y la teoría del 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 . Los estudios teóricos modernos implican el uso de cálculos numéricos de la estructura electrónica y herramientas matemáticas para comprender fenómenos como la superconductividad de alta temperatura , las fases topológicas y las simetrías de calibre .

Aparición

La comprensión teórica de la física de la materia condensada está estrechamente relacionada con la noción de emergencia , en la que conjuntos complejos de partículas se comportan de maneras dramáticamente diferentes de sus constituyentes individuales. [37] [43] Por ejemplo, una variedad de fenómenos relacionados con la superconductividad de alta temperatura se entienden mal, aunque la física microscópica de electrones y redes individuales es bien conocida. [51] De manera similar, se han estudiado modelos de sistemas de materia condensada donde las excitaciones colectivas se comportan como fotones y electrones , describiendo así el electromagnetismo como un fenómeno emergente. [52] Las propiedades emergentes también pueden ocurrir en la interfaz entre materiales: un ejemplo es la interfaz de aluminato de lantano-titanato de estroncio , donde dos aislantes de banda se unen para crear conductividad y superconductividad .

Teoría electrónica de sólidos

El estado metálico ha sido históricamente un bloque de construcción importante para estudiar las propiedades de los sólidos. [53] La primera descripción teórica de los metales fue dada por Paul Drude en 1900 con el modelo de Drude , que explicaba las propiedades eléctricas y térmicas al describir un metal como un gas ideal de electrones recién descubiertos . Pudo derivar la ley empírica de Wiedemann-Franz y obtener resultados en estrecho acuerdo con los experimentos. [22] : 90–91  Este modelo clásico fue luego mejorado por Arnold Sommerfeld, quien incorporó las estadísticas de Fermi-Dirac de los electrones y pudo explicar el comportamiento anómalo del calor específico de los metales en la ley de Wiedemann-Franz . [22] : 101–103  En 1912, Max von Laue y Paul Knipping estudiaron la estructura de los sólidos cristalinos , cuando observaron el patrón de difracción de rayos X de los cristales y concluyeron que los cristales obtienen su estructura de redes periódicas de átomos. [22] : 48  [54] En 1928, el físico suizo Felix Bloch proporcionó una solución de función de onda a la ecuación de Schrödinger con un potencial periódico , conocida como teorema de Bloch . [55]

Calcular las propiedades electrónicas de los metales resolviendo la función de onda de muchos cuerpos suele ser computacionalmente difícil y, por lo tanto, se necesitan métodos de aproximación para obtener predicciones significativas. [56] La teoría de Thomas-Fermi , desarrollada en la década de 1920, se utilizó para estimar la energía del sistema y la densidad electrónica tratando la densidad electrónica local como un parámetro variacional . Más tarde, en la década de 1930, Douglas Hartree , Vladimir Fock y John Slater desarrollaron la llamada función de onda de Hartree-Fock como una mejora del modelo de Thomas-Fermi. El método de Hartree-Fock tuvo en cuenta las estadísticas de intercambio de funciones de onda de electrones de partículas individuales. En general, es muy difícil resolver la ecuación de Hartree-Fock. Solo el caso del gas de electrones libres se puede resolver con exactitud. [53] : 330–337  Finalmente, en 1964–65, Walter Kohn , Pierre Hohenberg y Lu Jeu Sham propusieron la teoría del funcional de la densidad (DFT), que proporcionó descripciones realistas de las propiedades superficiales y volumétricas de los metales. La teoría del funcional de la densidad se ha utilizado ampliamente desde la década de 1970 para los cálculos de la estructura de bandas de una variedad de sólidos. [56]

Ruptura de simetría

Algunos estados de la materia presentan ruptura de simetría , donde las leyes relevantes de la física poseen alguna forma de simetría que se rompe. Un ejemplo común son los sólidos cristalinos , que rompen la simetría traslacional continua . Otros ejemplos incluyen los ferroimanes magnetizados , que rompen la simetría rotacional , y estados más exóticos como el estado fundamental de un superconductor BCS , que rompe la simetría rotacional de fase U(1) . [57] [58]

El teorema de Goldstone en la teoría cuántica de campos establece que en un sistema con simetría continua rota pueden existir excitaciones con energías arbitrariamente bajas, llamadas bosones de Goldstone . Por ejemplo, en los sólidos cristalinos, estos corresponden a los fonones , que son versiones cuantizadas de las vibraciones reticulares. [59]

Transición de fase

La transición de fase se refiere al cambio de fase de un sistema, que se produce por un cambio en un parámetro externo como la temperatura , la presión o la composición molar. En un sistema de un solo componente, una transición de fase clásica ocurre a una temperatura (a una presión específica) donde hay un cambio abrupto en el orden del sistema. Por ejemplo, cuando el hielo se derrite y se convierte en agua, la estructura cristalina hexagonal ordenada del hielo se modifica a una disposición móvil de moléculas de agua unidas por enlaces de hidrógeno.

En las transiciones de fase cuánticas , la temperatura se establece en cero absoluto y el parámetro de control no térmico, como la presión o el campo magnético, causa las transiciones de fase cuando el orden se destruye por fluctuaciones cuánticas que se originan a partir del principio de incertidumbre de Heisenberg . Aquí, las diferentes fases cuánticas del sistema se refieren a distintos estados fundamentales de la matriz hamiltoniana . Comprender el comportamiento de la transición de fase cuántica es importante en las difíciles tareas de explicar las propiedades de los aislantes magnéticos de tierras raras, los superconductores de alta temperatura y otras sustancias. [60]

Se producen dos clases de transiciones de fase: transiciones de primer orden y transiciones de segundo orden o continuas . En estas últimas, las dos fases implicadas no coexisten a la temperatura de transición, también llamada punto crítico . Cerca del punto crítico, los sistemas experimentan un comportamiento crítico, en el que varias de sus propiedades, como la longitud de correlación , el calor específico y la susceptibilidad magnética , divergen exponencialmente. [60] Estos fenómenos críticos presentan serios desafíos para los físicos porque las leyes macroscópicas normales ya no son válidas en la región, y se deben inventar nuevas ideas y métodos para encontrar las nuevas leyes que puedan describir el sistema. [61] : 75ff 

La teoría más simple que puede describir las transiciones de fase continuas es la teoría de Ginzburg-Landau , que funciona en la denominada aproximación de campo medio . Sin embargo, solo puede explicar de manera aproximada la transición de fase continua para los ferroeléctricos y los superconductores de tipo I, que implican interacciones microscópicas de largo alcance. Para otros tipos de sistemas que implican interacciones de corto alcance cerca del punto crítico, se necesita una mejor teoría. [62] : 8–11 

Cerca del punto crítico, las fluctuaciones ocurren en un amplio rango de escalas de tamaño mientras que la característica del sistema completo es invariante en la escala. Los métodos de grupo de renormalización promedian sucesivamente las fluctuaciones de longitud de onda más corta en etapas mientras retienen sus efectos en la siguiente etapa. De esta manera, los cambios de un sistema físico visto en diferentes escalas de tamaño pueden investigarse sistemáticamente. Los métodos, junto con una potente simulación por computadora, contribuyen en gran medida a la explicación de los fenómenos críticos asociados con la transición de fase continua. [61] : 11 

Experimental

La física experimental de la materia condensada implica el uso de sondas experimentales para intentar descubrir nuevas propiedades de los materiales. Dichas sondas incluyen efectos de campos eléctricos y magnéticos , medición de funciones de respuesta , propiedades de transporte y termometría . [63] Los métodos experimentales comúnmente utilizados incluyen espectroscopia , con sondas como rayos X , luz infrarroja y dispersión inelástica de neutrones ; estudio de la respuesta térmica, como el calor específico y medición del transporte a través de conducción térmica y de calor .

Imagen del patrón de difracción de rayos X de un cristal de proteína

Dispersión

Varios experimentos de materia condensada implican la dispersión de una sonda experimental, como rayos X , fotones ópticos , neutrones , etc., sobre los componentes de un material. La elección de la sonda de dispersión depende de la escala de energía de observación de interés. La luz visible tiene energía en la escala de 1 electrón voltio (eV) y se utiliza como sonda de dispersión para medir variaciones en las propiedades del material, como la constante dieléctrica y el índice de refracción . Los rayos X tienen energías del orden de 10 keV y, por lo tanto, pueden sondear escalas de longitud atómica y se utilizan para medir variaciones en la densidad de carga de electrones y la estructura cristalina. [64] : 33–34 

Los neutrones también pueden investigar escalas de longitud atómica y se utilizan para estudiar la dispersión de núcleos y espines electrónicos y magnetización (ya que los neutrones tienen espín pero no carga). Las mediciones de dispersión de Coulomb y Mott se pueden realizar utilizando haces de electrones como sondas de dispersión. [64] : 33–34  [65] : 39–43  De manera similar, la aniquilación de positrones se puede utilizar como una medición indirecta de la densidad electrónica local. [66] La espectroscopia láser es una excelente herramienta para estudiar las propiedades microscópicas de un medio, por ejemplo, para estudiar transiciones prohibidas en medios con espectroscopia óptica no lineal . [61] : 258–259 

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. [67] La ​​resonancia magnética nuclear (RMN) es un método mediante el cual se utilizan campos magnéticos externos para encontrar modos de resonancia de núcleos individuales, brindando así información sobre la estructura atómica, molecular y de enlace de su entorno. Los experimentos de RMN se pueden realizar en campos magnéticos con intensidades de hasta 60 tesla . Los campos magnéticos más altos pueden mejorar la calidad de los datos de medición de RMN. [68] : 69  [69] : 185  Las oscilaciones cuánticas son otro método experimental en el que se utilizan campos magnéticos altos para estudiar las propiedades de los materiales, como la geometría de la superficie de Fermi . [70] Los campos magnéticos altos serán útiles en las pruebas experimentales de las diversas predicciones teóricas, como el efecto magnetoeléctrico cuantificado , el monopolo magnético de imagen y el efecto Hall cuántico de medio entero . [68] : 57 

Espectroscopia de resonancia magnética

La estructura local , así como la estructura de los átomos vecinos más cercanos, se puede investigar en materia condensada con métodos de resonancia magnética, como la resonancia paramagnética electrónica (EPR) y la resonancia magnética nuclear (NMR), que son muy sensibles a los detalles del entorno de los núcleos y los electrones por medio del acoplamiento hiperfino. Tanto los electrones localizados como los isótopos estables o inestables específicos de los núcleos se convierten en la sonda de estas interacciones hiperfinas ), que acoplan el espín electrónico o nuclear a los campos eléctricos y magnéticos locales. Estos métodos son adecuados para estudiar defectos, difusión, transiciones de fase y orden magnético. Los métodos experimentales comunes incluyen RMN , resonancia cuadrupolo nuclear (NQR), sondas radiactivas implantadas como en el caso de la espectroscopia de espín de muones ( SR), espectroscopia Mössbauer , RMN y correlación angular perturbada (PAC). PAC es especialmente ideal para el estudio de cambios de fase a temperaturas extremas superiores a 2000 °C debido a la independencia de la temperatura del método.

Gases atómicos fríos

El primer condensado de Bose-Einstein observado en un gas de átomos de rubidio ultrafríos . Las áreas azules y blancas representan una mayor densidad.

El atrapamiento de átomos ultrafríos en redes ópticas es una herramienta experimental comúnmente utilizada en física de la materia condensada, y en física atómica, molecular y óptica . El método implica el uso de láseres ópticos para formar un patrón de interferencia , que actúa como una red , en la que se pueden colocar iones o átomos a temperaturas muy bajas. Los átomos fríos en redes ópticas se utilizan como simuladores cuánticos , es decir, actúan como sistemas controlables que pueden modelar el comportamiento de sistemas más complicados, como imanes frustrados . [71] En particular, se utilizan para diseñar redes unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales para un modelo de Hubbard con parámetros preespecificados, y para estudiar las transiciones de fase para el ordenamiento antiferromagnético y de espín líquido . [72] [73] [43]

En 1995, se utilizó un gas de átomos de rubidio enfriado a una temperatura de 170 nK para realizar experimentalmente el condensado de Bose-Einstein , un nuevo estado de la materia originalmente predicho por SN Bose y Albert Einstein , en el que una gran cantidad de átomos ocupan un estado cuántico . [74]

Aplicaciones

Simulación por ordenador de nanoengranajes fabricados con moléculas de fulerenos . Se espera que los avances en nanociencia conduzcan a máquinas que trabajen a escala molecular.

La investigación en física de la materia condensada [43] [75] ha dado lugar a varias aplicaciones de dispositivos, como el desarrollo del transistor semiconductor , [6] la tecnología láser , [61] el almacenamiento magnético , los cristales líquidos , las fibras ópticas [76] y varios fenómenos estudiados en el contexto de la nanotecnología . [77] : 111ff  Métodos como la microscopía de efecto túnel se pueden utilizar para controlar procesos a escala nanométrica y han dado lugar al estudio de la nanofabricación. [78] Estas máquinas moleculares fueron desarrolladas, por ejemplo, por los premios Nobel de química Ben Feringa , Jean-Pierre Sauvage y Fraser Stoddart . Feringa y su equipo desarrollaron múltiples máquinas moleculares como el coche molecular , el molino de viento molecular y muchas más. [79]

En computación cuántica , la información se representa mediante bits cuánticos o cúbits . Los cúbits pueden descoherir rápidamente antes de que se complete un cálculo útil. Este grave problema debe resolverse antes de que pueda hacerse realidad la computación cuántica. Para resolver este problema, se proponen varios enfoques prometedores en física de la materia condensada, incluidos los cúbits de unión de Josephson , los cúbits espintrónicos que utilizan la orientación del espín de los materiales magnéticos y los aniones topológicos no abelianos a partir de estados de efecto Hall cuántico fraccionario . [78]

La física de la materia condensada también tiene usos importantes en la biomedicina . Por ejemplo, la resonancia magnética se utiliza ampliamente en la obtención de imágenes médicas de tejidos blandos y otras características fisiológicas que no se pueden visualizar con imágenes de rayos X tradicionales. [78]

Véase también

Notas

  1. ^ Tanto el hidrógeno como el nitrógeno se han licuado desde entonces; sin embargo, el nitrógeno líquido ordinario y el hidrógeno no poseen propiedades metálicas. Los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron en 1935 [18] que existe un estado metálico del hidrógeno a presiones suficientemente altas (más de 25 GPa ), pero esto aún no se ha observado.

Referencias

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