Fizika kondenzovane materije

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу

Fizika kondenzovane materije je polje fizike koja se bavi makroskopskim i mikroskopskim fizičkim svojstvima materije. Ona se specifično bavi „kondenzovanim” fazama koje se javljuju kad god je broj sastojaka u sistemu izuzetno velik i interakcije između sastojaka su jake. Najpoznatiji primeri kondenzovanih faza su čvrsta supstanca i tečnosti, koje nastaju usled elektromagnetnih sila između atoma. Fizičari kondenzovane materije nastoje da razumeju ponašanje tih faza koristeći fizičke zakone. Ovim su naročito ovuhvaćeni zakoni kvantne mehanike, elektromagnetizma i statističke mehanike.

Egzotičnije kondenzovane faze uključuju superprovodnu fazu koju ispoljavaju izvesni materijali na niskoj temperaturi, feromagnetne i antiferomagnetne faze spinova na kristalnim rešetkama atoma i Boze-Ajnštajnovog kondenzata prisutnog u ultrahladnim atomskim sistemima. Proučavanje fizike kondenzovane materije obuhvata merenje različitih svojstava materijala pomoću eksperimentalnih sondi, zajedno sa korišćenjem metoda teorijske fizike za razvoj matematičkih modela koji pomažu u razumevanju fizičkog ponašanja.

Raznolikost sistema i pojava dostupnih za izučavanje čini fiziku kondenzovane materije najaktivnijim poljem savremene fizike: jedna trećina svih američkih fizičara se identifikuje kao fizičari kondenzovane materije,[1] a Divizija fizike kondenzovane materije je najveće odeljenje u Američkog fizičkog društva.[2] Ovo polje se preklapa sa hemijom, naukom o materijalima i nanotehnologijom, i usko je povezano sa atomskom fizikom i biofizikom. Teorijska fizika kondenzovane materije deli važne koncepte i metode sa fizikom čestica i nuklearnom fizikom.[3]

Razne teme iz fizike kao što su kristalografija, metalurgija, elastičnost, magnetizam itd, tretirane su kao posebna područja sve do 1940-ih godina, kada su grupisane kao fizika čvrstog stanja. Oko 1960-ih godina na ovu listu dodato je istraživanje fizičkih svojstava tečnosti, što je osnova za novu, srodnu specijalnost fizike kondenzovane materije.[4] Prema fizičaru Filipu Vorenu Andersonu, termin su skovali on i Voker Hajne, kad su promenili ime svoje grupe u Kavendiš laboratorijama, Kembridž iz teorije čvrstog stanja u teoriju kondenzovane materije 1967. godine,[5] jer su smatrali da to ne isključuje njihova interesovanja za proučavanjem tečnosti, nuklearne materije i tako dalje.[6] Iako su Anderson i Hajne pomogli popularizaciji naziva „kondenzovana materija”, u Evropi je on bio prisutan već više godina, najprominentnije u obliku časopisa koji je na engleskom, francuskom i nemačkom jeziku u izdanju Springer-Verlaga pod nazivom „Fizika kondenzovane materije”, koji je lansiran 1963. godine.[7] Okruženje finansiranja i politika hladnog rata 1960-ih i 1970-ih takođe su bili faktori zbog kojih neki fizičari preferiraju naziv „fizika kondenzovane materije”, koji naglašava zajedništvo naučnih problema sa kojima se susreću fizičari koji rade na čvrstim supstancama, tečnostima, plazmama i drugoj kompleksnoj materiji, u odnosu na „fizike čvrstog stanja”, koja je često bila povezana sa industrijskim primenama metala i poluprovodnika.[8] Belove telefonske laboratorije su bile je jedan od prvih instituta koji je sproveo istraživački program iz fizike kondenzovane materije.[4]

Reference na „kondenzovano” stanje mogu se pratiti do ranijih izvora. Na primer, u uvodu u svoju knjigu Kinetička teorija tečnosti iz 1947,[9] Jakov Frenkel je predložio da se „kinetička teorija tečnosti u skladu s tim mora razvijati kao generalizacija i proširenje kinetičke teorije čvrstih tela. Zapravo, bilo bi tačnije objediniti ih pod nazivom kondenzovana tela”.

Istorija klasične fizike[уреди]

Klasična fizika[уреди]

Jednu od prvih studija kondenzovanih stanja materije sproveo je engleski hemičar Hamfri Dejvi, tokom prvih decenija 19. veka. Dejvi je primetio da od četrdeset tadašnjih poznatih hemijskih elemenata, dvadeset šest ima metalna svojstva kao što su sjaj, duktilnost i visoku električnu i toplotna provodljivost.[10] Ovo je ukazivalo da atomi u teoriji atomskog tela Džona Daltona nisu nedeljivi kao što je Dalton tvrdio, već da imaju unutrašnju strukturu. Dejvi je dalje tvrdio da se elementi za koje se verovalo da su gasovi, kao što su azot i vodonik, mogu utečniti pod odgovarajućim uslovima, a da bi se zatim ponašali kao metali.[11][note 1]

Godine 1823, Majkl Faradej, tada pomoćnik u Dejvijevoj laboratoriji, uspešno je utečnio hlor i zatim je utečnio sve poznate gasovite elemente, osim azota, vodonika i kiseonika.[10] Ubrzo nakon toga, 1869. godine, irski hemičar Tomas Endruz je proučavao fazni prelaz sa tečnosti u gas i skovao termin kritične tačke da bi opisao stanje u kome se gas i tečnost ne mogu razlikovati kao faze,[13] a holandski fizičar Johanes Diderik van der Vals je pružio teorijski okvir koji je omogućio predviđanje kritičnog ponašanja na osnovu merenja na znatno višim temperaturama.[14]:35–38 Do 1908. godine Džejms Djuar i Hejke Kamerling Ones uspešno su utečnili vodonik, a zatim i novootkriveni helijum.[10]

Pol Drude je 1900. godine predložio prvi teorijski model klasičnog elektrona koji se kreće kroz metalnu čvrstu supstancu.[3] Drudeov model je opisao svojstva metala u smislu gasa slobodnih elektrona, i bio je prvi mikroskopski model koji je objasnio empirijska zapažanja poput zakona Videmana-Franca.[15][16]:27–29 Međutim, uprkos uspeha Drudeovog slobodno elektronskog modela, on je imao jedan značajan problem: nije bio u stanju da pravilno objasni elektronski doprinos specifičnoj toploti i magnetnim svojstvima metala, i temperaturnu zavisnost otpornosti na niskim temperaturama.[17]:366–368

Godine 1911, tri godine nakon što je helijum prvi put bio utečnjen, Ones koji je radio na Univerzitetu u Lajdenu otkrio je superprovodljivost u živi, kada je primetio kako električni otpori žive nestaju na temperaturama ispod određene vrednosti.[18] Fenomen je potpuno iznenadio najbolje teorijske fizičare tog vremena i ostao je neobjašnjen nekoliko decenija.[19] Albert Ajnštajn je izjavio 1922. godine o savremenim teorijama superprovodljivosti da „sa našim dalekosežnim nepoznavanjem kvantne mehanike kompozitnih sistema mi smo veoma daleko od toga da možemo da sastavimo teoriju iz ovih nejasnih ideja.”[20]

Notes[уреди]

  1. ^ Vodonik i azot su od tada utečnjeni; međutim, obični tečni azot i vodonik nemaju metalna svojstva. Fizičari Judžin Vigner i Hilard Bel Hantington predvideli su 1935. godine[12] da stanje metaličnog vodonika postoji pri dovoljno visokim pritiscima (preko 25 GPa), ali to još nije primećeno.

Reference[уреди]

  1. ^ „Condensed Matter Physics Jobs: Careers in Condensed Matter Physics”. Physics Today Jobs. Архивирано из оригинала на датум 27. 3. 2009. Приступљено 1. 11. 2010. 
  2. ^ „History of Condensed Matter Physics”. American Physical Society. Приступљено 27. 3. 2012. 
  3. 3,0 3,1 Cohen, Marvin L. (2008). „Essay: Fifty Years of Condensed Matter Physics”. Physical Review Letters. 101 (25): 250001. Bibcode:2008PhRvL.101y0001C. PMID 19113681. doi:10.1103/PhysRevLett.101.250001. Приступљено 31. 3. 2012. 
  4. 4,0 4,1 Kohn, W. (1999). „An essay on condensed matter physics in the twentieth century” (PDF). Reviews of Modern Physics. 71 (2): S59—S77. Bibcode:1999RvMPS..71...59K. doi:10.1103/RevModPhys.71.S59. Архивирано из оригинала (PDF) на датум 25. 8. 2013. Приступљено 27. 3. 2012. 
  5. ^ „Philip Anderson”. Department of Physics. Princeton University. Приступљено 27. 3. 2012. 
  6. ^ Anderson, Philip W. (novembar 2011). „In Focus: More and Different”. World Scientific Newsletter. 33: 2. 
  7. ^ „Physics of Condensed Matter”. 1963. Приступљено 20. 4. 2015. 
  8. ^ Martin, Joseph D. (2015). „What's in a Name Change? Solid State Physics, Condensed Matter Physics, and Materials Science” (PDF). Physics in Perspective. 17 (1): 3—32. Bibcode:2015PhP....17....3M. doi:10.1007/s00016-014-0151-7. 
  9. ^ Frenkel, J. (1947). Kinetic Theory of Liquids. Oxford University Press. 
  10. 10,0 10,1 10,2 Goodstein, David; Goodstein, Judith (2000). „Richard Feynman and the History of Superconductivity” (PDF). Physics in Perspective. 2 (1): 30. Bibcode:2000PhP.....2...30G. doi:10.1007/s000160050035. Приступљено 7. 4. 2012. 
  11. ^ Davy, John, ур. (1839). The collected works of Sir Humphry Davy: Vol. II. Smith Elder & Co., Cornhill. 
  12. ^ Silvera, Isaac F.; Cole, John W. (2010). „Metallic Hydrogen: The Most Powerful Rocket Fuel Yet to Exist”. Journal of Physics. 215 (1): 012194. Bibcode:2010JPhCS.215a2194S. doi:10.1088/1742-6596/215/1/012194. 
  13. ^ Rowlinson, J. S. (1969). „Thomas Andrews and the Critical Point”. Nature. 224 (8): 541—543. Bibcode:1969Natur.224..541R. doi:10.1038/224541a0. 
  14. ^ Atkins, Peter; de Paula, Julio (2009). Elements of Physical Chemistry. Oxford University Press. ISBN 978-1-4292-1813-9. 
  15. ^ Kittel, Charles (1996). Introduction to Solid State Physics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-11181-8. 
  16. ^ Hoddeson, Lillian (1992). Out of the Crystal Maze: Chapters from The History of Solid State Physics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-505329-6. 
  17. ^ Kragh, Helge (2002). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century (Reprint изд.). Princeton University Press. ISBN 978-0-691-09552-3. 
  18. ^ van Delft, Dirk; Kes, Peter (septembar 2010). „The discovery of superconductivity” (PDF). Physics Today. 63 (9): 38—43. Bibcode:2010PhT....63i..38V. doi:10.1063/1.3490499. Приступљено 7. 4. 2012. 
  19. ^ Slichter, Charles. „Introduction to the History of Superconductivity”. Moments of Discovery. American Institute of Physics. Приступљено 13. 6. 2012. 
  20. ^ Schmalian, Joerg (2010). „Failed theories of superconductivity”. Modern Physics Letters B. 24 (27): 2679—2691. Bibcode:2010MPLB...24.2679S. arXiv:1008.0447Слободан приступ. doi:10.1142/S0217984910025280. 

Literatura[уреди]

Spoljašnje veze[уреди]