Os sólidos están constituídos por enormes números (n≈ ²³³) de átomos. Estes á súa vez están formados por un núcleo rodeado por un número de electrónica de cada especie química. Cando os átomos únense para formar un sólido os electróns máis externos de cada átomo interactúan tan intensamente cos dos seus veciños máis próximos que o seu estado modificado con respecto ao átomo illado. Os electróns dos átomos cuxo estado cambia notablemente ao condensar o sólido chámase electróns de Valencia; Ao resto, os electróns corticales.
Un sólido considérase así formado por dous subsistemas: unha rede iónica, constituída polos núcleos atómicos máis electróns corticales e un conxunto de electróns de Valencia. Porque case toda a masa dun átomo está contida no núcleo dáse que os iones son moito máis pesados que os electróns de Valencia; En consecuencia, a dinámica iónica e electrónica ocorre en escalas de tempo moi diferentes. Por este motivo, a chamada aproximación de Oppenheimer pódese aplicar e descompoñer o estudo da física sólida en dous problemas diferentes: a física das redes iónicas e a dos sistemas electrónicos de Valencia.
As propiedades do sólido son entón a superposición das contribucións de cada un destes subsistemas. A miúdo ocorre que hai contribucións adicionais que poden provir de características especiais dos iones que forman os fenómenos sólidos ou cooperativos debido ás intensas interaccións dadas na fase condensada da materia. Así, por exemplo, a existencia de ións que presentan momentos magnéticos dan lugar ao magnetismo dos sólidos, ou as interaccións especiais entre a rede iónica e os electróns de Valencia causan a supercondutividade.
Imaxe da páxina web” As estruturas de cristal de cristal “, mantidas polo Centro Computacional de Ciencias do Laboratorio do Laboratorio da Armada dos Estados Unidos. |
Un problema fundamental da física do estado sólido é determinar como se distribúen os iones por espazo; É dicir, como é a xeometría da rede iónica. Existen formas diferentes, esencialmente diferentes, para a organización espacial dos iones. O mellor estudado e máis fundamental desde o punto de vista teórico é a estrutura cristalina. Para os sólidos que presentan esta estrutura chámanse cristais ou sólidos cristalinos. O seu estudo é de gran importancia ao longo da física do estado sólido, porque unha gran cantidade de sólidos interesantes son os cristais e que a comprensión da estrutura cristalina é necesaria para desenvolver entón as técnicas de descrición doutros tipos de sólidos.
A estrutura dun cristal descríbese a partir dun pequeno número de ións, a partir de só varias decenas, disposto a un respecto a outros dun xeito ben definido, que se chama a base atómica debido ao seu carácter de compoñente fundamental do Cristal. O vidro é entón a repetición periódica da base atómica en todo o espazo ocupada polo vaso. Requírese unha regra para dicir en que puntos espaciais específicos ten que colocar as copias da base atómica. Isto é dado por un concepto matemático abstracto chamado Bravais Network, que é un conxunto de puntos cuxa característica fundamental é a invarianza translacional: a rede é igual desde calquera dos seus nós. As redes de cristal están definidas así son estruturas estáticas. En realidade, os iones non permanecen fixos nas súas posicións da rede, senón que realizan movementos oscilatorios ao seu redor cunha amplitude que crece con temperatura. As posicións da rede cristalina son, polo tanto, posicións medias dos iones ao longo do tempo. Un estudo completo da rede iónica dun vaso ten, polo tanto, para incluír a dinámica das redes cristalinas. A análise deste movemento colectivo do cristal, de acordo cos principios da física cuántica, resulta nunha dinámica definida pola enumeración dunha colección de modos de vibración característicos, definidos pola súa frecuencia e polo grao de emoción de cada modo, medido polo número de fonones nel. Aplicando técnicas de física estatística, a contribución das vibracións de rede a propiedades sólidas é entón obtida. |
|
Estrutura de cristal de cloruro de sodio. Esta imaxe mostra a estrutura dun cristal de sal común, NACL. As esferas verdes representan as ións e os iones azuis de cl.O arranxo espacial dos ións no cristal pode ser descrito por unha valente rede do tipo cúbico centrado nas caras e unha base atómica formada por un par de iones na-CL. Unha rede de Bravais é un concepto matemático, xeométrico axeitado. É un conxunto de puntos distribuídos periódicamente por espazo. No caso da figura, estes puntos están nos centros da esfera azul, estendéronse por todo o espazo, pero só 14 deles teñen representación na imaxe. Nela vense que os puntos da rede quedan nos vértices e nos centros das caras dun hexaedron ou cubo. De aí o nome da rede: Cúbico centrado nas caras. A base atómica é un concepto físico. Neste exemplo pódese definir como un par de iones na-CP, separados a unha distancia igual á metade da diagonal do cubo e que ten o segmento vinculando a dirección dunha diagonal aos iones. Repetindo esta unidade en cada nó da rede Bravais está construído. Outros materiais teñen cristais similares, coa única diferenza que as especies químicas dos iones implicados son diferentes. Un exemplo é o óxido de manganeso, MNO, un material interesante para as súas propiedades magnéticas. A descrición das estruturas doutros cristais requiren redes de diferentes bravias atómicas e bases. |
| O estudo da contribución dos electróns de valencia ás propiedades dos sólidos é un tema importante e non só desde o punto de vista fundamental. Estes electróns contribúen significativamente ás propiedades sólidas, como a cohesión do material, a resposta del para intercambios de calor, ou a capacidade de realizar electricidade. Este último é especialmente importante, polo tanto, as tecnoloxías relacionadas coa electricidade, fundamental para o desenvolvemento económico, requiren coñecemento das propiedades eléctricas dos condutores e illantes. Do mesmo xeito, as propiedades electrónicas dos materiais de semicondutores están a partir do desenvolvemento da electrónica e da informática.
A teoría dos electróns de valencia en sólidos ten dous ingredientes: física cuántica, que nos di que son os estados onde É posible atopar electróns en sólidos e física estatística, que nos informa da probabilidade de que os estados cuánticos estivesen ocupados. Os Estados cuánticos accesibles a un electrón nun sólido están organizados en bandas de enerxía; É dicir, en xeral, non todos os valores enerxéticos son accesibles a un electrón, senón só aqueles en certas bandas permitidas. Este último implica a existencia de bandas de enerxía prohibidas. Segundo a física estatística, os Estados menos enerxéticos están ocupados, a maior enerxía desempregada e nun pequeno intervalo de enerxía en torno a unha enerxía de referencia, chamada Fermi Energy, a a probabilidade de ocupación diminúe rapidamente. Nalgúns sólidos Fermi Energy está dentro dunha banda permitida: estes materiais compórtanse como condutores. Noutras Fermi Energy está nunha banda prohibida, é entón illante, cando esta banda é ancha, e semicondutores cando é estreito. A estrutura da banda, combinada co valor da enerxía de Fermi, polo tanto, determina a natureza eléctrica do sólido. |
imaxe do Sitio web de “Fermi Superficies”, mantido polo Instituto Técnico da Física da Universidade Técnica de Dresden. |
|
Copper Fermi Superficie. Copper é un metal coñecido e útil para as súas boas propiedades como condutor de electricidade. Os Estados cuánticos accesibles a un electrón nun sólido están representados como puntos nun espazo abstracto, chamado espazo-k. Isto proporciona unha ferramenta xeométrica e útil para comprender a natureza electrónica dos sólidos. A imaxe, xerada por ordenador, mostra a rexión espacial-K na que todos os estados accesibles para os electróns de Valencia están contidos nun cristal de cobre. Este é o interior do poliedro, chamado Hexaedron truncado, limitado por 8 caras hexagonales e seis caras cadradas mostradas na figura por liñas escuras. A superficie curva, amarela, con aberturas circulares xunto á cara hexagonal do poliedro é a superficie de Fermi. Os Estados nesta superficie teñen unha enerxía igual á enerxía de Fermi. A unha temperatura cero, os estados dentro do mesmo, de menos enerxía, están todos ocupados e os exteriores desempregados. Esta situación é moi pouco alterada aumentando a temperatura.Temos unha imaxe gráfica da ocupación de estados electrónicos polos electróns de Valencia en cobre. A existencia dunha superficie de Fermi indica que o material é un condutor. Para illantes e semicondutores non é posible definir unha superficie de Fermi. |
Física do Estado sólido É parte dunha física de desenvolvemento relativamente recente : A maioría dos conceptos que compoñen esta disciplina son menos de cen anos. Os primeiros resultados relevantes datan desde finais do século XIX e principios do século XX e refírense á descrición e determinación das estruturas cristalinas. Non obstante, a maior parte do corpo de coñecemento da física estatal sólida foi desenvolvida a partir do primeiro trimestre do século XX, unha vez máis partes fundamentais da física, como a física cuántica ea física estatística na que se sostén, estaban ben establecidos. A investigación sobre a física estatal sólida obtivo o recoñecemento do premio Nobel en varias ocasións. Aquí están as conexións ás páxinas web da Fundación Nobel dedicada aos premios concedidos ata agora a investigar sobre ións e electróns en sólidos:
- Max von Laue (1914): Discovery of Difraction X-Ray polos cristais.
- William Henry Bragg, William Lawrence Bragg (1915): Contribucións á análise de estruturas cristalinas a través de raios X.
- Clinton Joseph Davisson, George Paget Thomson (1937): Descubrimento experimental da difracción de electróns por cristais.
- William Bradford Shockley, John Bardeen, Walter Houser Brattain (1956): investigación de semicondutores e descubrimento do efecto de transistor.
- Leo Eskaki (1973): descubrimento experimental dos fenómenos do efecto do túnel en semicondutores.
- Klaus von Klitzing (1985): descubrimento do efecto cuántico Hall.
- Bertram N. Brockhouse, Clifford G. Shull (1994): Desenvolvemento de técnicas de difracción de neutróns como ferramentas experimentais na física de materia condensada.
Ten que notar que a primeira metade do século XX foi unha das idades douradas da física pola cantidade e importancia dos descubrimentos feitos nel. Polo tanto, é posiblemente esta lista infra-representa as contribucións feitas pola comunidade científica a física estatal sólida porque moitos dos que desenvolveron os conceptos básicos desta disciplina foron premiados por outros motivos. Así, Albert Einstein e Peter Debye, que fixeron contribucións fundamentais á teoría da dinámica das redes cristalinas, foron premiadas por comprender o efecto fotoeléctrico eo estudo do físico-química de gases e moléculas, respectivamente. Do mesmo xeito, Max Born, Enrico Fermi e Paul Dirac, que contribuíron ao desenvolvemento da física de electróns en sólidos, foron premiados polas súas contribucións ao desenvolvemento da física cuántica.