Os sólidos são constituídos por números enormes (n≈10²³) de átomos. Estes, por sua vez, são formados por um núcleo cercado por um número de elétrons característico de cada espécie química. Quando os átomos estão unidos para formar um sólido, os elétrons mais externos de cada atom interagem tão intensamente com os seus vizinhos mais próximos do que seu status é modificado em relação ao átomo isolado. Os elétrons dos átomos cujo estado muda notavelmente quando condensar o sólido é chamado elétrons de Valência; Para o resto, elétrons corticais.
Um sólido é considerado assim formado por dois subsistemas: uma rede iônica, constituída pelos núcleos atômicos mais elétrons corticais, e um conjunto de elétrons de valencia. Porque quase toda a massa de um átomo está contida no núcleo ocorre que os íons são muito mais pesados do que os elétrons de Valência; Consequentemente, dinâmicas iônicas e eletrônicas ocorrem em escalas de tempo muito diferentes. Por esta razão, a chamada aproximação de nascimento-oppenheimer pode ser aplicada e decompondo o estudo da física sólida em dois problemas diferentes: a física das redes de íons e a dos sistemas de elétrons de Valência.
As propriedades do sólido são então a superposição das contribuições de cada um desses subsistemas. Muitas vezes acontece que há contribuições adicionais que podem vir de características especiais dos íons que formam os fenômenos sólidos ou cooperativos devido às intensas interações dadas na fase condensada da matéria. Assim, por exemplo, a existência de íons que apresentam momentos magnéticos dá origem ao magnetismo dos sólidos, ou interações especiais entre a rede iônica e os elétrons de Valência causam supercondutividade.
Imagem da página da Web” As estruturas de treliça de cristal “, mantidas pelo centro computacional para a ciência dos materiais do laboratório da Marinha dos Estados Unidos. |
Um problema fundamental da física do estado sólido é determinar como os íons são distribuídos pelo espaço; Isto é, como é a geometria da rede de íons. Existem formas diferentes, essencialmente diferentes, para a organização espacial dos íons. O melhor estudado e mais fundamental do ponto de vista teórico é a estrutura cristalina. Para os sólidos que apresentam essa estrutura são chamados de cristais ou sólidos cristalinos. Seu estudo é de grande importância em toda a física do estado sólido, porque um grande número de sólidos interessantes são cristais, e que a compreensão da estrutura cristalina é necessária para desenvolver então as técnicas de descrição de outros tipos de sólidos.
A estrutura de um cristal é descrita a partir de um pequeno número de íons, de apenas várias dezenas, organizadas com relação aos outros de forma bem definida, que é chamada de base atômica devido ao seu caráter de constituinte fundamental do cristal. O vidro é então a repetição periódica da base atômica em todo o espaço ocupado pelo vidro. Uma regra é necessária para dizer em que pontos específicos de espaço você precisa colocar as cópias da base atômica. Isso é dado por um conceito matemático abstrato chamado BraviAis Network, que é um conjunto de pontos cuja característica fundamental é invariância translacional: a rede é igual a qualquer um dos seus nós. As redes de cristal definidas são estruturas estáticas. Na verdade, os íons não permanecem fixos em suas posições da rede, mas realizam movimentos oscilatórios ao redor deles com uma amplitude que cresce com temperatura. As posições da rede cristalina são, portanto, posições médias dos íons ao longo do tempo. Um estudo completo da rede de íons de um copo tem, portanto, para incluir a dinâmica de redes cristalinas. A análise deste movimento coletivo do cristal, de acordo com os princípios da física quântica, resulta em uma dinâmica definida pela enumeração de uma coleta de modos de vibração característica, definida pela sua frequência e pelo grau de excitação de cada modo, medido pelo número de fonones nele. Aplicando técnicas de física estatística, a contribuição das vibrações de rede para propriedades sólidas é então obtida. |
Crystal Estrutura de cloreto de sódio. Esta imagem mostra a estrutura de um cristal de sal comum, NaCl. As esferas verdes representam íons de NA e os íons azuis de Cl.O arranjo espacial dos íons no cristal pode ser descrito por uma borda de rede do tipo cúbico centrado nos rostos, e uma base atômica formada por um par de Na-Cl. Uma rede de Braveis é um conceito matemático, adequado geométrico. É um conjunto de pontos distribuídos periodicamente pelo espaço. No caso da figura, esses pontos estão nos centros da esfera azul, eles se espalhariam ao longo do espaço, mas apenas 14 deles têm representação na imagem. Nele é visto que os pontos da rede são deixados nos vértices e nos centros dos rostos de um hexaedro ou cubo. Daí o nome da rede: Cúbico centrado nos rostos. A base atômica é um conceito físico. Neste exemplo, pode ser definido como um par de Na-Cl íons, separados a uma distância igual a metade da diagonal do cubo e tendo o segmento ligando a direção de uma diagonal para os íons. Repetindo esta unidade em cada nó da rede BRAVAIS é construída. Outros materiais têm cristais semelhantes, com a única diferença que as espécies químicas dos íons envolvidos são diferentes. Um exemplo é óxido de manganês, MNO, um material interessante para suas propriedades magnéticas. A descrição das estruturas de outros cristais requer redes de diferentes bravias e bases atômicas. |
| O estudo da contribuição dos elétrons de Valência às propriedades dos sólidos é uma questão importante e não apenas do ponto de vista fundamental. Esses elétrons contribuem significativamente para as propriedades sólidas, como a coesão do material, a resposta dela aos intercâmbios de calor, ou a capacidade de conduzir eletricidade. Este último é especialmente importante, portanto, tecnologias relacionadas à eletricidade, fundamental para o desenvolvimento econômico, exigem conhecimento das propriedades elétricas de motoristas e isoladores. Da mesma forma, as propriedades eletrônicas dos materiais semicondutores estão com base no desenvolvimento de eletrônicos e ciência da computação.
A teoria dos elétrons de valência em sólidos tem dois ingredientes: física quântica, que nos diz que são os estados onde são os estados onde É possível encontrar elétrons em sólidos e física estatística, o que nos informa da probabilidade de que esses estados quânticos sejam ocupados. Os estados quânticos acessíveis a um elétron em um sólido são organizados em bandas de energia; Ou seja, em geral, nem todos os valores de energia são acessíveis a um elétron, mas apenas aqueles em certas bandas permitidas. Este último implica a existência de bandas de energia proibidas. De acordo com a física estatística, os menos estados energéticos estão ocupados, a maior energia desempregada, e em um pequeno intervalo de energia em torno de uma energia de referência, chamada de energia Fermi, Probabilidade de ocupação diminui rapidamente. Em alguns sólidos, a energia Fermi está dentro de uma banda permitida: esses materiais se comportam como condutores. Em outra energia Fermi está em uma banda proibida, é então isolante, quando essa banda é larga e semicondutores quando é estreita. A estrutura da banda, combinada com o valor da energia Fermi, portanto, determine a natureza elétrica do sólido. |
Imagem do Website “Fermi Surfaces”, mantido pelo Instituto Técnico da Física da Universidade Técnica de Dresden. |
Cobre Fermi Superfície. cobre é um metal conhecido e útil para suas boas propriedades como condutor de eletricidade. Os estados quânticos acessíveis a um elétron em um sólido são representados como pontos em um resumo espacial, chamado espaço-k. Isso fornece uma ferramenta geométrica e útil para entender a natureza eletrônica dos sólidos. A imagem, gerada pelo computador, mostra a região espacial-K em que todos os estados acessíveis aos elétrons de Valência estão contidos em um cristal de cobre. Este é o interior do poliedro, chamado hexadro truncado, limitado por 8 caras hexagonais e seis rostos quadrados mostrados na figura por linhas escuras. A superfície curva, amarelo, com aberturas circulares ao lado da face hexagonal do poliedro é a superfície de Fermi. Estados nesta superfície têm energia igual à energia de Fermi. A zero temperatura, os estados dentro do mesmo, de menos energia, são todos ocupados e os exteriores desempregados. Esta situação é muito pouco alterada aumentando a temperatura.Temos uma imagem gráfica da ocupação de estados eletrônicos pelos elétrons de Valência em cobre. A existência de uma superfície de Fermi indica que o material é um driver. Para isolantes e semicondutores Não é possível definir uma superfície de Fermi. |
Física do estado sólido é uma parte da física de desenvolvimento relativamente recente : A maioria dos conceitos que compõem essa disciplina são menos de cem anos. A primeira data de resultados relevante do final do século XIX e início do século XX e se refere à descrição e determinação de estruturas cristalinas. No entanto, a maior parte do corpo de conhecimento da física do estado sólido foi desenvolvida a partir do primeiro trimestre do século XX, mais uma vez mais partes fundamentais de física, como física quântica e física estatística em que é sustentado, eles estavam bem estabelecidos. Pesquisas sobre física do estado sólido obtiveram reconhecimento do prêmio Nobel em várias ocasiões. Aqui estão as conexões com as páginas da Web da Fundação Nobel dedicada aos prêmios concedidos até agora a pesquisas sobre íons e elétrons em sólidos:
- max von laue (1914): descoberta de radiografia de difração pelos cristais.
- William Henry Bragg, William Lawrence Bragg (1915): contribuições para a análise de estruturas cristalinas por meio de raios-x.
- Clinton Joseph Davisson, George Paget Thomson (1937): Descoberta Experimental de difração de elétrons por cristais.
- William Bradford Shockley, John Bardeen, Walter Houser Brattain (1956): Pesquisa semicondutora e a descoberta do efeito transistor.
- leo eskaki (1973): Descoberta experimental de fenômenos de efeito de túnel em semicondutores.
- klaus von klitzing (1985): descoberta do efeito Quantum Hall.
- Bertram N. Brockhouse, Clifford G. Shull (1994): Desenvolvimento de técnicas de difração de nêutrons como ferramentas experimentais na física da matéria condensada.
Você tem que perceber que a primeira metade do século XX foi uma das idades douradas de física para a quantidade e importância das descobertas feitas nela. Portanto, é possivelmente esta lista infra-representa as contribuições feitas pela comunidade científica para a física do estado sólido, porque muitos daqueles que desenvolveram o básico dessa disciplina foram concedidos por outras razões. Assim, Albert Einstein e Peter DeBye, que fizeram contribuições fundamentais para a teoria da dinâmica das redes cristalinas, foram concedidas pela compreensão do efeito fotoelétrico e do estudo da físico-química de gases e moléculas, respectivamente. Da mesma forma, Max Born, Enrico Fermi e Paul Dirac, que contribuíram para o desenvolvimento da física eletrônica em sólidos, foram concedidos por suas contribuições para o desenvolvimento da física quântica.