Física de matéria condensada

Física da matéria condensada é o campo da física que lida com as propriedades físicas macroscópicas e microscópicas da matéria, especialmente as fases sólida e líquida que surgem das forças eletromagnéticas entre os átomos. De forma mais geral, o assunto lida com "condensado" fases da matéria: sistemas de muitos constituintes com fortes interações entre eles. Fases condensadas mais exóticas incluem a fase supercondutora exibida por certos materiais em baixa temperatura, as fases ferromagnéticas e antiferromagnéticas de spins em redes cristalinas de átomos e o condensado de Bose-Einstein encontrado em sistemas atômicos ultrafrios. Os físicos da matéria condensada procuram entender o comportamento dessas fases por experimentos para medir várias propriedades materiais e pela aplicação das leis físicas da mecânica quântica, eletromagnetismo, mecânica estatística e outras teorias para desenvolver modelos matemáticos.

A diversidade de sistemas e fenômenos disponíveis para estudo torna a física da matéria condensada o campo mais ativo da física contemporânea: um terço de todos os físicos americanos se identificam como físicos da matéria condensada, e a Divisão de Física da Matéria Condensada é a maior divisão da a American Physical Society. O campo se sobrepõe à química, ciência dos materiais, engenharia e nanotecnologia e se relaciona intimamente com a física atômica e a biofísica. A física teórica da matéria condensada compartilha conceitos e métodos importantes com a física de partículas e a física nuclear.

Vários tópicos da física, como cristalografia, metalurgia, elasticidade, magnetismo, etc., foram tratados como áreas distintas até a década de 1940, quando foram agrupados como física do estado sólido. Por volta da década de 1960, o estudo das propriedades físicas dos líquidos foi adicionado a essa lista, formando a base para a especialidade mais abrangente da física da matéria condensada. O Bell Telephone Laboratories foi um dos primeiros institutos a conduzir um programa de pesquisa em física da matéria condensada. De acordo com o diretor fundador do Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido, o professor de física Manuel Cardona, foi Albert Einstein quem criou o campo moderno da física da matéria condensada, começando com seu artigo seminal de 1905 sobre o efeito fotoelétrico e a fotoluminescência que abriu os campos da fotoelétron espectroscopia e espectroscopia de fotoluminescência, e mais tarde seu artigo de 1907 sobre o calor específico dos sólidos que introduziu, pela primeira vez, o efeito das vibrações da rede nas propriedades termodinâmicas dos cristais, em particular o calor específico. O vice-diretor do Yale Quantum Institute A. Douglas Stone faz um caso de prioridade semelhante para Einstein em seu trabalho sobre a história sintética da mecânica quântica.

Etimologia

Segundo o físico Philip Warren Anderson, o uso do termo "matéria condensada" para designar um campo de estudo foi cunhado por ele e Volker Heine, quando eles mudaram o nome de seu grupo nos Laboratórios Cavendish, Cambridge de Teoria do estado sólido para Teoria da Matéria Condensada em 1967, como eles acharam melhor, incluíram seu interesse em líquidos, matéria nuclear e assim por diante. Embora Anderson e Heine tenham ajudado a popularizar o nome "matéria condensada", ele já era usado na Europa há alguns anos, principalmente na revista Springer-Verlag Physics of Condensed Matter, lançada em 1963. O nome "física da matéria condensada" enfatizou a semelhança dos problemas científicos encontrados pelos físicos que trabalham com sólidos, líquidos, plasmas e outras matérias complexas, enquanto a "física do estado sólido" foi frequentemente associado a aplicações industriais restritas de metais e semicondutores. Nas décadas de 1960 e 1970, alguns físicos sentiram que o nome mais abrangente se encaixava melhor no ambiente de financiamento e na política da Guerra Fria da época.

Referências a "condensado" estados podem ser rastreados até fontes anteriores. Por exemplo, na introdução de seu livro de 1947 Kinetic Theory of Liquids, Yakov Frenkel propôs que "A teoria cinética dos líquidos deve ser desenvolvida como uma generalização e extensão da teoria cinética dos sólidos". corpos. Aliás, seria mais correto unificá-los sob o título de 'corpos condensados'".

História da física da matéria condensada

Física clássica

Heike Kamerlingh Onnes e Johannes van der Waals com o hélio licor em Leiden em 1908

Um dos primeiros estudos sobre os estados condensados da matéria foi feito pelo químico inglês Humphry Davy, nas primeiras décadas do século XIX. Davy observou que dos quarenta elementos químicos conhecidos na época, vinte e seis tinham propriedades metálicas como brilho, ductilidade e alta condutividade elétrica e térmica. Isso indicava que os átomos na teoria atômica de John Dalton não eram indivisíveis como Dalton afirmava, mas tinham uma estrutura interna. Davy afirmou ainda que elementos que se acreditava serem gases, como nitrogênio e hidrogênio, poderiam ser liquefeitos sob as condições certas e se comportariam como metais.

Em 1823, Michael Faraday, então assistente no laboratório de Davy, liquefez com sucesso o cloro e passou a liquefazer todos os elementos gasosos conhecidos, exceto nitrogênio, hidrogênio e oxigênio. Pouco depois, em 1869, o químico irlandês Thomas Andrews estudou a transição de fase de um líquido para um gás e cunhou o termo ponto crítico para descrever a condição em que um gás e um líquido eram indistinguíveis como fases, e o físico holandês Johannes van der Waals forneceu a quadro teórico que permitiu a previsão do comportamento crítico com base em medições a temperaturas muito mais elevadas. Em 1908, James Dewar e Heike Kamerlingh Onnes conseguiram liquefazer o hidrogênio e, em seguida, o recém-descoberto hélio, respectivamente.

Paul Drude em 1900 propôs o primeiro modelo teórico para um elétron clássico movendo-se através de um sólido metálico. O modelo de Drude descreveu as propriedades dos metais em termos de um gás de elétrons livres e foi o primeiro modelo microscópico a explicar observações empíricas como a lei de Wiedemann-Franz. No entanto, apesar do sucesso do modelo de elétron livre de Drude, ele tinha um problema notável: era incapaz de explicar corretamente a contribuição eletrônica para o calor específico e as propriedades magnéticas dos metais e a dependência da resistividade em baixas temperaturas.

Em 1911, três anos depois que o hélio foi liquefeito pela primeira vez, Onnes, trabalhando na Universidade de Leiden, descobriu a supercondutividade no mercúrio, quando observou que a resistividade elétrica do mercúrio desaparecia em temperaturas abaixo de um certo valor. O fenômeno surpreendeu completamente os melhores físicos teóricos da época e permaneceu sem explicação por várias décadas. Albert Einstein, em 1922, disse a respeito das teorias contemporâneas de supercondutividade que "com nossa ignorância de longo alcance da mecânica quântica de sistemas compostos, estamos muito longe de sermos capazes de compor uma teoria a partir dessas ideias vagas".;

Advento da mecânica quântica

O modelo clássico de Drude foi ampliado por Wolfgang Pauli, Arnold Sommerfeld, Felix Bloch e outros físicos. Pauli percebeu que os elétrons livres no metal devem obedecer às estatísticas de Fermi-Dirac. Usando essa ideia, ele desenvolveu a teoria do paramagnetismo em 1926. Pouco depois, Sommerfeld incorporou as estatísticas de Fermi-Dirac ao modelo de elétron livre e o tornou melhor para explicar a capacidade térmica. Dois anos depois, Bloch usou a mecânica quântica para descrever o movimento de um elétron em uma rede periódica. A matemática das estruturas cristalinas desenvolvida por Auguste Bravais, Yevgraf Fyodorov e outros foi usada para classificar os cristais por seu grupo de simetria, e tabelas de estruturas cristalinas foram a base para a série International Tables of Crystallography, publicada pela primeira vez em 1935. Os cálculos de estrutura de banda foram usados pela primeira vez em 1930 para prever as propriedades de novos materiais e, em 1947, John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley desenvolveram o primeiro transistor baseado em semicondutores, anunciando uma revolução na eletrônica.

Uma réplica do primeiro transistor de ponto de contato em laboratórios Bell

Em 1879, Edwin Herbert Hall, trabalhando na Universidade Johns Hopkins, descobriu uma tensão desenvolvida em condutores transversais a uma corrente elétrica no condutor e campo magnético perpendicular à corrente. Esse fenômeno decorrente da natureza dos portadores de carga no condutor veio a ser chamado de efeito Hall, mas não foi devidamente explicado na época, uma vez que o elétron só foi descoberto experimentalmente 18 anos depois. Após o advento da mecânica quântica, Lev Landau em 1930 desenvolveu a teoria da quantização de Landau e lançou as bases para a explicação teórica do efeito Hall quântico descoberto meio século depois.

O magnetismo como propriedade da matéria é conhecido na China desde 4000 AC. No entanto, os primeiros estudos modernos do magnetismo só começaram com o desenvolvimento da eletrodinâmica por Faraday, Maxwell e outros no século XIX, que incluiu a classificação de materiais como ferromagnéticos, paramagnéticos e diamagnéticos com base em sua resposta à magnetização. Pierre Curie estudou a dependência da magnetização da temperatura e descobriu a transição de fase do ponto Curie em materiais ferromagnéticos. Em 1906, Pierre Weiss introduziu o conceito de domínios magnéticos para explicar as principais propriedades dos ferromagnetos. A primeira tentativa de uma descrição microscópica do magnetismo foi feita por Wilhelm Lenz e Ernst Ising através do modelo de Ising que descrevia os materiais magnéticos como consistindo de uma rede periódica de spins que adquiriam magnetização coletivamente. O modelo de Ising foi resolvido exatamente para mostrar que a magnetização espontânea não pode ocorrer em uma dimensão, mas é possível em redes de dimensão superior. Outras pesquisas, como as de Bloch sobre ondas de spin e Néel sobre antiferromagnetismo, levaram ao desenvolvimento de novos materiais magnéticos com aplicações em dispositivos de armazenamento magnético.

Física moderna de muitos corpos

Uma levitação magnética acima de um supercondutor de alta temperatura. Hoje alguns físicos estão trabalhando para entender a supercondutividade de alta temperatura usando a correspondência AdS/CFT.

O modelo de Sommerfeld e os modelos de spin para ferromagnetismo ilustraram a aplicação bem-sucedida da mecânica quântica a problemas de matéria condensada na década de 1930. No entanto, ainda havia vários problemas não resolvidos, principalmente a descrição da supercondutividade e o efeito Kondo. Após a Segunda Guerra Mundial, várias ideias da teoria quântica de campos foram aplicadas a problemas de matéria condensada. Estes incluíram o reconhecimento de modos de excitação coletiva de sólidos e a importante noção de uma quasipartícula. O físico russo Lev Landau usou a ideia para a teoria do líquido de Fermi, na qual as propriedades de baixa energia dos sistemas de férmions interativos eram dadas em termos do que agora são denominados quasipartículas de Landau. Landau também desenvolveu uma teoria de campo médio para transições de fase contínuas, que descrevia fases ordenadas como quebra espontânea de simetria. A teoria também introduziu a noção de um parâmetro de ordem para distinguir entre fases ordenadas. Finalmente, em 1956, John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer desenvolveram a chamada teoria BCS da supercondutividade, baseada na descoberta de que uma atração arbitrariamente pequena entre dois elétrons de spin oposto mediada por fônons na rede pode dar origem a um estado ligado chamado um par de Cooper.

O efeito quântico Hall: Componentes da resistividade Hall como uma função do campo magnético externo

O estudo das transições de fase e do comportamento crítico de observáveis, denominados fenômenos críticos, foi um grande campo de interesse na década de 1960. Leo Kadanoff, Benjamin Widom e Michael Fisher desenvolveram as ideias de expoentes críticos e escala de sabedoria. Essas idéias foram unificadas por Kenneth G. Wilson em 1972, sob o formalismo do grupo de renormalização no contexto da teoria quântica de campos.

O efeito quântico Hall foi descoberto por Klaus von Klitzing, Dorda e Pepper em 1980, quando observaram a condução Hall para ser múltiplos inteiros de uma constante fundamental e2/hNão..(ver figura) O efeito foi observado como independente de parâmetros como tamanho do sistema e impurezas. Em 1981, o teórico Robert Laughlin propôs uma teoria explicando a precisão inestimável do planalto integral. Também implícitou que a condução Hall é proporcional a um invariante topológico, chamado número Chern, cuja relevância para a estrutura de banda de sólidos foi formulada por David J. Thouless e colaboradores. Pouco depois, em 1982, Horst Störmer e Daniel Tsui observaram o quântico fracionário Efeito de salão onde a condução era agora um múltiplo racional da constante e2/hNão.. Laughlin, em 1983, percebeu que esta era uma consequência da interação quasipartícula nos estados do Hall e formulou uma solução de método variacional, chamada de função de onda Laughlin. O estudo das propriedades topológicas do efeito do Hall fracionário permanece um campo ativo de pesquisa. Décadas mais tarde, a mencionada teoria da banda topológica avançada por David J. Thouless e colaboradores foi ampliada levando à descoberta de isoladores topológicos.

Em 1986, Karl Müller e Johannes Bednorz descobriram o primeiro supercondutor de alta temperatura, um material que era supercondutor a temperaturas de até 50 kelvins. Percebeu-se que os supercondutores de alta temperatura são exemplos de materiais fortemente correlacionados, onde as interações elétron-elétron desempenham um papel importante. Uma descrição teórica satisfatória de supercondutores de alta temperatura ainda não é conhecida e o campo de materiais fortemente correlacionados continua a ser um tópico de pesquisa ativo.

Em 2009, David Field e pesquisadores da Universidade de Aarhus descobriram campos elétricos espontâneos ao criar filmes prosaicos de vários gases. Isso se expandiu mais recentemente para formar a área de pesquisa de espontelétricas.

Em 2012, vários grupos divulgaram pré-impressões que sugerem que o hexaboreto de samário tem as propriedades de um isolante topológico de acordo com as previsões teóricas anteriores. Uma vez que o hexaboreto de samário é um isolante Kondo estabelecido, ou seja, um material de elétrons fortemente correlacionado, espera-se que a existência de um estado de superfície de Dirac topológico neste material leve a um isolante topológico com fortes correlações eletrônicas.

Teórico

A física teórica da matéria condensada envolve o uso de modelos teóricos para compreender as propriedades dos estados da matéria. Isso inclui modelos para estudar as propriedades eletrônicas dos sólidos, como o modelo de Drude, a estrutura de bandas e a teoria do funcional da densidade. Modelos teóricos também foram desenvolvidos para estudar a física das transições de fase, como a teoria de Ginzburg-Landau, expoentes críticos e o uso de métodos matemáticos da teoria quântica de campos e do grupo de renormalização. Estudos teóricos modernos envolvem o uso de computação numérica de estrutura eletrônica e ferramentas matemáticas para entender fenômenos como supercondutividade de alta temperatura, fases topológicas e simetrias de calibre.

Emergência

A compreensão teórica da física da matéria condensada está intimamente relacionada à noção de emergência, em que conjuntos complexos de partículas se comportam de maneiras dramaticamente diferentes de seus constituintes individuais. Por exemplo, uma série de fenômenos relacionados à supercondutividade de alta temperatura são mal compreendidos, embora a física microscópica de elétrons e redes individuais seja bem conhecida. Da mesma forma, modelos de sistemas de matéria condensada foram estudados onde as excitações coletivas se comportam como fótons e elétrons, descrevendo assim o eletromagnetismo como um fenômeno emergente. Propriedades emergentes também podem ocorrer na interface entre os materiais: um exemplo é a interface titanato de aluminato de lantânio e estrôncio, onde dois isoladores de banda são unidos para criar condutividade e supercondutividade.

Teoria eletrônica dos sólidos

O estado metálico tem sido historicamente um bloco de construção importante para o estudo das propriedades dos sólidos. A primeira descrição teórica dos metais foi dada por Paul Drude em 1900 com o modelo de Drude, que explicava as propriedades elétricas e térmicas descrevendo um metal como um gás ideal de elétrons recém-descobertos. Ele foi capaz de derivar a lei Wiedemann-Franz empírica e obter resultados de acordo com os experimentos. Este modelo clássico foi então aprimorado por Arnold Sommerfeld, que incorporou as estatísticas de Fermi-Dirac dos elétrons e foi capaz de explicar o comportamento anômalo do calor específico dos metais na lei de Wiedemann-Franz. Em 1912, a estrutura dos sólidos cristalinos foi estudada por Max von Laue e Paul Knipping, quando eles observaram o padrão de difração de raios X dos cristais e concluíram que os cristais obtêm sua estrutura de redes periódicas de átomos. Em 1928, o físico suíço Felix Bloch forneceu uma solução de função de onda para a equação de Schrödinger com um potencial periódico, conhecido como teorema de Bloch.

Calcular propriedades eletrônicas de metais resolvendo a função de onda de muitos corpos é muitas vezes computacionalmente difícil e, portanto, métodos de aproximação são necessários para obter previsões significativas. A teoria de Thomas-Fermi, desenvolvida na década de 1920, foi usada para estimar a energia do sistema e a densidade eletrônica, tratando a densidade eletrônica local como um parâmetro variacional. Mais tarde, na década de 1930, Douglas Hartree, Vladimir Fock e John Slater desenvolveram a chamada função de onda Hartree-Fock como uma melhoria em relação ao modelo Thomas-Fermi. O método Hartree-Fock foi responsável pelas estatísticas de troca de funções de onda de elétrons de partícula única. Em geral, é muito difícil resolver a equação de Hartree-Fock. Apenas o caso do gás de elétrons livres pode ser resolvido exatamente. Finalmente, em 1964-65, Walter Kohn, Pierre Hohenberg e Lu Jeu Sham propuseram a teoria do funcional da densidade (DFT), que forneceu descrições realistas para as propriedades a granel e superficiais dos metais. A teoria funcional de densidade tem sido amplamente utilizada desde a década de 1970 para cálculos de estrutura de banda de uma variedade de sólidos.

Quebra de simetria

Alguns estados da matéria exibem quebra de simetria, onde as leis relevantes da física possuem alguma forma de simetria que é quebrada. Um exemplo comum são os sólidos cristalinos, que quebram a simetria translacional contínua. Outros exemplos incluem ferromagnetos magnetizados, que quebram a simetria rotacional, e estados mais exóticos, como o estado fundamental de um supercondutor BCS, que quebra a simetria rotacional da fase U(1).

O teorema de Goldstone na teoria quântica de campos afirma que em um sistema com simetria contínua quebrada, podem existir excitações com energia arbitrariamente baixa, chamadas de bósons de Goldstone. Por exemplo, em sólidos cristalinos, eles correspondem a fônons, que são versões quantizadas de vibrações de rede.

Transição de fase

A transição de fase refere-se à mudança de fase de um sistema, que é provocada por uma mudança em um parâmetro externo, como a temperatura. A transição de fase clássica ocorre em temperatura finita quando a ordem do sistema foi destruída. Por exemplo, quando o gelo derrete e se torna água, a estrutura cristalina ordenada é destruída.

Nas transições de fase quântica, a temperatura é ajustada para zero absoluto, e o parâmetro de controle não térmico, como pressão ou campo magnético, causa as transições de fase quando a ordem é destruída por flutuações quânticas originadas do princípio da incerteza de Heisenberg. Aqui, as diferentes fases quânticas do sistema referem-se a estados fundamentais distintos da matriz hamiltoniana. Compreender o comportamento da transição de fase quântica é importante nas difíceis tarefas de explicar as propriedades de isoladores magnéticos de terras raras, supercondutores de alta temperatura e outras substâncias.

Duas classes de transições de fase ocorrem: transições de primeira ordem e transições de segunda ordem ou transições contínuas. Para este último, as duas fases envolvidas não coexistem na temperatura de transição, também chamada de ponto crítico. Perto do ponto crítico, os sistemas passam por um comportamento crítico, onde várias de suas propriedades, como comprimento de correlação, calor específico e suscetibilidade magnética, divergem exponencialmente. Esses fenômenos críticos apresentam sérios desafios para os físicos porque as leis macroscópicas normais não são mais válidas na região, e novas ideias e métodos devem ser inventados para encontrar as novas leis que podem descrever o sistema.

A teoria mais simples que pode descrever transições de fase contínuas é a teoria de Ginzburg-Landau, que funciona na chamada aproximação de campo médio. No entanto, só pode explicar aproximadamente a transição de fase contínua para ferroelétricos e supercondutores tipo I, que envolvem interações microscópicas de longo alcance. Para outros tipos de sistemas que envolvem interações de curto alcance próximas ao ponto crítico, uma teoria melhor é necessária.

Perto do ponto crítico, as flutuações ocorrem em uma ampla gama de escalas de tamanho, enquanto a característica de todo o sistema é invariante à escala. Os métodos do grupo de renormalização calculam sucessivamente as flutuações de comprimento de onda mais curtas em estágios, mantendo seus efeitos no próximo estágio. Assim, as mudanças de um sistema físico vistas em diferentes escalas de tamanho podem ser investigadas sistematicamente. Os métodos, juntamente com a poderosa simulação computacional, contribuem muito para a explicação dos fenômenos críticos associados à transição de fase contínua.

Experimental

A física experimental da matéria condensada envolve o uso de sondas experimentais para tentar descobrir novas propriedades dos materiais. Essas sondas incluem efeitos de campos elétricos e magnéticos, funções de resposta de medição, propriedades de transporte e termometria. Métodos experimentais comumente usados incluem espectroscopia, com sondas como raios X, luz infravermelha e espalhamento inelástico de nêutrons; estudo da resposta térmica, como calor específico e medição do transporte por condução térmica e térmica.

Imagem do padrão de difração de raios X de um cristal de proteína.

Dispersão

Vários experimentos de matéria condensada envolvem a dispersão de uma sonda experimental, como raios-X, fótons ópticos, nêutrons, etc., nos constituintes de um material. A escolha da sonda de dispersão depende da escala de energia de observação de interesse. A luz visível tem energia na escala de 1 elétron-volt (eV) e é usada como uma sonda de dispersão para medir variações nas propriedades do material, como constante dielétrica e índice de refração. Os raios X têm energias da ordem de 10 keV e, portanto, são capazes de sondar escalas de comprimento atômico e são usados para medir variações na densidade de carga de elétrons.

Os nêutrons também podem sondar escalas de comprimento atômico e são usados para estudar a dispersão de núcleos e spins de elétrons e magnetização (já que os nêutrons têm spin, mas não têm carga). Medições de espalhamento de Coulomb e Mott podem ser feitas usando feixes de elétrons como sondas de espalhamento. Da mesma forma, a aniquilação de pósitrons pode ser usada como uma medida indireta da densidade eletrônica local. A espectroscopia a laser é uma excelente ferramenta para estudar as propriedades microscópicas de um meio, por exemplo, para estudar transições proibidas em meios com espectroscopia óptica não linear.

Campos magnéticos externos

Na física experimental da matéria condensada, os campos magnéticos externos atuam como variáveis termodinâmicas que controlam o estado, as transições de fase e as propriedades dos sistemas materiais. A ressonância magnética nuclear (NMR) é um método pelo qual campos magnéticos externos são usados para encontrar modos de ressonância de elétrons individuais, fornecendo assim informações sobre a estrutura atômica, molecular e de ligação de sua vizinhança. Os experimentos de RMN podem ser feitos em campos magnéticos com intensidades de até 60 tesla. Campos magnéticos mais altos podem melhorar a qualidade dos dados de medição NMR. As oscilações quânticas são outro método experimental em que campos magnéticos elevados são usados para estudar as propriedades dos materiais, como a geometria da superfície de Fermi. Campos magnéticos elevados serão úteis para testar experimentalmente as várias previsões teóricas, como o efeito magnetoelétrico quantizado, monopolo magnético de imagem e o efeito Hall quântico semi-inteiro.

Espectroscopia nuclear

A estrutura local, a estrutura dos átomos vizinhos mais próximos, da matéria condensada pode ser investigada com métodos de espectroscopia nuclear, que são muito sensíveis a pequenas mudanças. Usando núcleos específicos e radioativos, o núcleo se torna a sonda que interage com seus campos elétricos e magnéticos circundantes (interações hiperfinas). Os métodos são adequados para estudar defeitos, difusão, mudança de fase, magnetismo. Métodos comuns são, e. RMN, espectroscopia Mössbauer ou correlação angular perturbada (PAC). Especialmente o PAC é ideal para o estudo de mudanças de fase em temperaturas extremas acima de 2.000 °C devido à não dependência de temperatura do método.

Gases atômicos frios

O primeiro condensado de Bose-Einstein observado em um gás de átomos de rubídio ultrafrios. As áreas azuis e brancas representam maior densidade.

O aprisionamento de átomos ultrafrios em redes ópticas é uma ferramenta experimental comumente usada na física da matéria condensada e na física atômica, molecular e óptica. O método envolve o uso de lasers ópticos para formar um padrão de interferência, que atua como uma rede, na qual íons ou átomos podem ser colocados em temperaturas muito baixas. Átomos frios em redes ópticas são usados como simuladores quânticos, ou seja, atuam como sistemas controláveis que podem modelar o comportamento de sistemas mais complicados, como ímãs frustrados. Em particular, eles são usados para projetar redes unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais para um modelo de Hubbard com parâmetros pré-especificados e para estudar transições de fase para ordenação antiferromagnética e líquida de spin.

Em 1995, um gás de átomos de rubídio resfriado a uma temperatura de 170 nK foi usado para realizar experimentalmente o condensado de Bose-Einstein, um novo estado da matéria originalmente previsto por S. N. Bose e Albert Einstein, em que um grande número de átomos ocupam um estado quântico.

Aplicativos

Simulação de computador nanogears feito de moléculas fullerene. Espera-se que os avanços na nanociência levem a máquinas que trabalham na escala molecular.

A pesquisa em física da matéria condensada tem dado origem a diversas aplicações de dispositivos, como o desenvolvimento do transistor semicondutor, tecnologia laser, e diversos fenômenos estudados no contexto da nanotecnologia. Métodos como a microscopia de tunelamento podem ser usados para controlar processos em escala nanométrica e deram origem ao estudo da nanofabricação. Tais máquinas moleculares foram desenvolvidas, por exemplo, pelo prêmio Nobel de química Ben Feringa. Ele e sua equipe desenvolveram várias máquinas moleculares, como carro molecular, moinho de vento molecular e muito mais.

Na computação quântica, a informação é representada por bits quânticos, ou qubits. Os qubits podem decoerir rapidamente antes que a computação útil seja concluída. Este sério problema deve ser resolvido antes que a computação quântica possa ser realizada. Para resolver este problema, várias abordagens promissoras são propostas na física da matéria condensada, incluindo qubits de junção de Josephson, qubits spintrônicos usando a orientação de spin de materiais magnéticos ou os anyons topológicos não-abelianos de estados de efeito Hall quântico fracionário.

A física da matéria condensada também tem usos importantes para a biofísica, por exemplo, o método experimental de ressonância magnética, que é amplamente utilizado no diagnóstico médico.