I solidi sono costituiti da numeri enormi (n≈10²³) di atomi. Questi a loro volta sono formati da un nucleo circondato da un caratteristico numero di elettroni di ciascuna specie chimica. Quando gli atomi sono uniti per formare un solido gli elettroni più esterni di ciascun atomo interagiscono così intensamente con quelli dei loro vicini più stretti del loro stato viene modificato rispetto all’atomo isolato. Gli elettroni degli atomi i cui stato cambia notevolmente quando si condensano il solido si chiamano elettroni di Valencia; Al resto, elettroni corticali.
Un solido è considerato così formato da due sottosistemi: una rete ionica, costituita dagli elettroni atomici dei nuclei più corticali e da un insieme di elettroni di Valencia. Perché quasi tutta la massa di un atomo è contenuta nel nucleo si verifica che gli ioni sono molto più pesanti degli elettroni di Valencia; Di conseguenza, le dinamiche ioniche ed elettroniche si verificano su scale di tempo molto diverse. Per questo motivo, la cosiddetta approssimazione Born-oppenheimer può essere applicata e decomposizione dello studio della fisica solida in due diversi problemi: la fisica delle reti ioniche e quella dei sistemi di elettroni di Valencia.
Le proprietà del solido sono quindi la sovrapposizione dei contributi di ciascuno di questi sottosistemi. Succede spesso che ci siano ulteriori contributi che possono provenire da caratteristiche speciali degli ioni che formano i fenomeni solidi o cooperativi a causa delle intense interazioni fornite nella fase condensata della materia. Pertanto, ad esempio, l’esistenza di ioni che presentano momenti magnetici dà origine al magnetismo dei solidi, o le interazioni speciali tra la rete ionica e gli elettroni di Valencia causano la superconduttività.
Immagine dalla pagina web” The Crystal Retactice Structures “, gestita dal Centro Computational per la scienza dei materiali del laboratorio della navica degli Stati Uniti. |
Un problema fondamentale della fisica dello stato solido è determinare in che modo gli ioni sono distribuiti dallo spazio; Cioè, così come la geometria della rete ionica. Ci sono forme diverse, essenzialmente diverse, per l’organizzazione spaziale degli ioni. Il miglior studiato e più fondamentale dal punto di vista teorico è la struttura cristallina. Ai solidi che presentano questa struttura sono chiamati cristalli o solidi cristallini. Il suo studio è di grande importanza in tutta la fisica dello stato solido, perché un gran numero di solidi interessanti sono i cristalli e che la comprensione della struttura cristallina è necessaria per sviluppare quindi le tecniche di descrizione di altri tipi di solidi.
La struttura di un cristallo è descritta da un piccolo numero di ioni, da solo diverse decine, disposte uno rispetto ad altri in modo ben definito, che è chiamato la base atomica dovuta al suo carattere del costituente fondamentale del cristallo. Il vetro è quindi la ripetizione periodica della base atomica in tutto lo spazio occupato dal vetro. Una regola è necessaria per dire in cui specifici punti spaziali è necessario posizionare le copie della base atomica. Questo è dato da un concetto matematico astratto chiamato Bravais Network, che è un insieme di punti la cui caratteristica fondamentale è invarianza traslazionale: la rete è uguale da uno dei suoi nodi. Reti di cristallo così definite sono strutture statiche. In realtà, gli ioni non rimangono fissati nelle loro posizioni della rete, ma eseguono movimenti oscillanti attorno a loro con un’ampiezza che cresce con la temperatura. Le posizioni della rete cristallina sono quindi posizioni medie degli ioni nel tempo. Pertanto, uno studio completo della rete ionica di un vetro ha, per includere le dinamiche delle reti cristalline. L’analisi di questo movimento collettivo del cristallo, secondo i principi della fisica quantistica, si traduce in una dinamica definita dall’enumerazione di una raccolta di modalità di vibrazione caratteristiche, definite dalla sua frequenza, e dal grado di eccitazione di ciascuna modalità, misurata dal numero di fonosi in esso. Applicazione di tecniche di fisica statistica, viene quindi ottenuto il contributo delle vibrazioni della rete alle proprietà solide. |
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struttura cristallina di sodio cloruro. Questa immagine mostra la struttura di un cristallo di sale comune, NACL. Le sfere verdi rappresentano na ioni e gli ioni blu di Cl.La disposizione spaziale degli ioni nel cristallo può essere descritta da una rete coraggiosa del tipo cubico centrato sui volti e una base atomica formata da un paio di ioni di NA-CL. Una rete di Bravais è un concetto matematico, corretta geometrica. È un insieme di punti distribuiti periodicamente dallo spazio. Nel caso della figura questi punti sono nei centri della sfera blu, si diffondono in tutto lo spazio, ma solo 14 di loro hanno una rappresentazione nell’immagine. In esso si vede che i punti della rete sono lasciati nei vertici e nei centri dei volti di un hexaedron o cubo. Da qui il nome della rete: cubico centrato sui volti. La base atomica è un concetto fisico. In questo esempio può essere definito come una coppia di ioni NA-CL, separati a una distanza pari alla metà della diagonale del cubo e aventi il segmento vincolando la direzione di una diagonale agli ioni. Ripetendo questa unità su ciascun nodo della rete Bravais è costruita. Gli altri materiali hanno cristalli simili, con l’unica differenza che le specie chimiche degli ioni coinvolte sono diverse. Un esempio è l’ossido di manganese, MNO, un materiale interessante per le sue proprietà magnetiche. La descrizione delle strutture di altri cristalli richiede reti di diverse brabie e basi atomiche e basi. |
| Lo studio del contributo degli elettroni di Valencia alle proprietà dei solidi è un problema importante e non solo dal punto di vista fondamentale. Questi elettroni contribuiscono in modo significativo alle proprietà solide, come la coesione del materiale, la risposta di esso agli scambi di calore o alla capacità di condurre elettricità. Quest’ultimo è particolarmente importante, quindi, le tecnologie legate all’elettricità, fondamentali per lo sviluppo economico, richiedono la conoscenza delle proprietà elettriche dei conducenti e degli isolanti. Allo stesso modo, le proprietà elettroniche dei materiali dei semiconduttori sono alla base dello sviluppo dell’elettronica e dell’informatica.
La teoria degli elettroni di valenza in solidi ha due ingredienti: la fisica quantistica, che ci dice quali sono gli Stati Uniti dove È possibile trovare elettroni in solidi e fisica statistica, che ci informa della probabilità che tali stati quantici di essere occupati. Gli stati quantici accessibili a un elettrone in un solido sono organizzati in bande di energia; Cioè, in generale, non tutti i valori di energia sono accessibili a un elettrone, ma solo quelli in certe bande consentite. Quest’ultimo implica l’esistenza di bande di energia proibita. Secondo la fisica statistica, gli stati meno energetici sono occupati, la massima energia disoccupata, e in un piccolo intervallo di energia attorno ad un’energia di riferimento, chiamata Energia Fermi, il La probabilità di occupazione diminuisce rapidamente. In alcuni solidi Fermi Energy è all’interno di una banda consentita: questi materiali si comportano come conduttori. In un’altra energia Fermi è in una banda proibita, è quindi isolante, quando questa band è ampia e semiconduttori quando è stretto. La struttura della band, combinata con il valore dell’energia Fermi, determinante pertanto la natura elettrica del solido. |
Immagine dal Il sito Web “Fermi Surfaces”, mantenuto dal tecnico dell’Istituto di fisica della tecnica di Dresda University. |
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superficie di rame fermi. rame è un metallo noto e utile per le sue buone proprietà come un conduttore di elettricità. Gli stati quantistici accessibili a un elettrone in un solido sono rappresentati come punti in un abstract spaziale, chiamato spazio-k. Questo fornisce uno strumento geometrico e utile per comprendere la natura elettronica dei solidi. L’immagine, generata dal computer, mostra la regione Space-K in cui tutti gli stati accessibili agli elettroni di Valencia sono contenuti in un cristallo di rame. Questo è l’interno del poliedro, chiamato hexaedron troncato, limitato da 8 facce esagonali e sei volti quadrati mostrati nella figura da linee scure. La superficie curva, gialla, con aperture circolari accanto alla faccia esagonale del poliedro è la superficie di Fermi. Gli stati su questa superficie hanno un’energia uguale all’energia di Fermi. A una temperatura zero, gli stati all’interno dello stesso, di meno energia, sono tutti occupati e gli esterni disoccupati. Questa situazione è molto piccola alternata aumentando la temperatura.Abbiamo un’immagine grafica dell’occupazione degli stati elettronici da parte degli elettroni di Valencia in rame. L’esistenza di una superficie Fermi indica che il materiale è un driver. Per isolanti e semiconduttori non è possibile definire una superficie Fermi. |
fisica dello stato solido È una parte della fisica di sviluppo relativamente recente : La maggior parte dei concetti che compongono questa disciplina sono meno di cento anni. I primi risultati pertinenti risalgono alla fine del diciannovesimo e all’inizio del ventesimo centesimo e si riferiscono alla descrizione e alla determinazione delle strutture cristalline. Tuttavia, la maggior parte del corpo della conoscenza della fisica statale solida è stata sviluppata dal primo trimestre del XX secolo, una volta più fondamentali parti di fisica, come la fisica quantistica e la fisica statistica in cui è sostenuta, erano ben consolidati. La ricerca sulla fisica dello stato solida ha ottenuto il riconoscimento del premio Nobel in diverse occasioni. Ecco le connessioni con le pagine web della Nobel Foundation dedicata ai premi concessi finora alla ricerca su ioni e elettroni in solidi:
- max von laue (1914): scoperta della radiografia di diffrazione dai cristalli.
- William Henry Bragg, William Lawrence Bragg (1915): contributi all’analisi delle strutture cristalline per mezzo di raggi X
- Clinton Joseph Davison, George Paget Thomson (1937): scoperta sperimentale di diffrazione elettronica da parte dei cristalli.
- William Bradford Shockley, John Bardeen, Walter Houser Brattain (1956): ricerca di semiconduttori e scoperta dell’effetto transistor.
- leo eskaki (1973): scoperta sperimentale del tunnel effetto fenomeni in semiconduttore.
- klaus von klitzing (1985): scoperta dell’effetto della sala quantistica.
- Bertram N. Brockhouse, Clifford G. Shull (1994): Sviluppo di tecniche di diffrazione dei neutroni come strumenti sperimentali nella fisica della materia condensata.
Devi notare che la prima metà del ventesimo secolo fu una delle epoche dorate della fisica per la quantità e l’importanza delle scoperte fatte in esso. Pertanto, è probabilmente questa lista infra-rappresenta i contributi effettuati dalla comunità scientifica alla fisica dello stato solido perché molti di quelli che hanno sviluppato le basi di questa disciplina sono stati assegnati per altri motivi. Così Albert Einstein e Peter Debye, che hanno fatto contributi fondamentali alla teoria delle dinamiche delle reti cristalline, sono stati assegnati comprendendo rispettivamente l’effetto fotoelettrico e lo studio del fisico-chimica dei gas e delle molecole. Allo stesso modo Max Born, Enrico Fermi e Paul Dirac, che hanno contribuito allo sviluppo della fisica elettronica nei solidi, sono stati assegnati per i loro contributi allo sviluppo della fisica quantistica.