Física de la Materia Condensada

La física de la materia condensada es el campo de la física que se ocupa de las propiedades físicas macroscópicas y microscópicas de la materia, especialmente las fases sólida y líquida que surgen de las fuerzas electromagnéticas entre los átomos. De manera más general, el tema trata con "condensado" fases de la materia: sistemas de muchos constituyentes con fuertes interacciones entre ellos. Las fases condensadas más exóticas incluyen la fase superconductora exhibida por ciertos materiales a baja temperatura, las fases ferromagnética y antiferromagnética de espines en redes cristalinas de átomos y el condensado de Bose-Einstein que se encuentra en sistemas atómicos ultrafríos. Los físicos de la materia condensada buscan comprender el comportamiento de estas fases mediante experimentos para medir diversas propiedades materiales y aplicando las leyes físicas de la mecánica cuántica, el electromagnetismo, la mecánica estadística y otras teorías para desarrollar modelos matemáticos.

La diversidad de sistemas y fenómenos disponibles para el estudio hace que la física de la materia condensada sea el campo más activo de la física contemporánea: un tercio de todos los físicos estadounidenses se identifican a sí mismos como físicos de la materia condensada, y la División de Física de la Materia Condensada es la división más grande en la Sociedad Americana de Física. El campo se superpone con la química, la ciencia de los materiales, la ingeniería y la nanotecnología, y se relaciona estrechamente con la física atómica y la biofísica. La física teórica de la materia condensada comparte conceptos y métodos importantes con la física de partículas y la física nuclear.

Una variedad de temas de la física, como la cristalografía, la metalurgia, la elasticidad, el magnetismo, etc., se trataron como áreas distintas hasta la década de 1940, cuando se agruparon como física del estado sólido. Alrededor de la década de 1960, se agregó a esta lista el estudio de las propiedades físicas de los líquidos, formando la base para la especialidad más completa de la física de la materia condensada. Bell Telephone Laboratories fue uno de los primeros institutos en llevar a cabo un programa de investigación en física de la materia condensada. Según el director fundador del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, el profesor de física Manuel Cardona, fue Albert Einstein quien creó el campo moderno de la física de la materia condensada a partir de su artículo seminal de 1905 sobre el efecto fotoeléctrico y la fotoluminiscencia que abrió los campos de los fotoelectrones. espectroscopia y espectroscopia de fotoluminiscencia, y más tarde su artículo de 1907 sobre el calor específico de los sólidos que introdujo, por primera vez, el efecto de las vibraciones de la red en las propiedades termodinámicas de los cristales, en particular el calor específico. El subdirector del Instituto Cuántico de Yale, A. Douglas Stone, presenta un caso prioritario similar para Einstein en su trabajo sobre la historia sintética de la mecánica cuántica.

Etimología

Según el físico Philip Warren Anderson, el uso del término "materia condensada" para designar un campo de estudio fue acuñado por él y Volker Heine, cuando cambiaron el nombre de su grupo en los Laboratorios Cavendish, Cambridge de Teoría del estado sólido a Teoría de la materia condensada en 1967, ya que sintieron que era mejor incluir su interés en líquidos, materia nuclear, etc. Aunque Anderson y Heine ayudaron a popularizar el nombre "materia condensada", se había utilizado en Europa durante algunos años, de manera más destacada en la revista Springer-Verlag Physics of Condensed Matter, lanzada en 1963. El nombre "física de la materia condensada" enfatizó la similitud de los problemas científicos encontrados por los físicos que trabajan con sólidos, líquidos, plasmas y otras materias complejas, mientras que la "física del estado sólido" a menudo se asociaba con aplicaciones industriales restringidas de metales y semiconductores. En las décadas de 1960 y 1970, algunos físicos sintieron que el nombre más completo encajaba mejor con el entorno de financiación y la política de la Guerra Fría de la época.

Las referencias a "condensado" Los estados se pueden rastrear a fuentes anteriores. Por ejemplo, en la introducción a su libro Teoría cinética de los líquidos de 1947, Yakov Frenkel propuso que "La teoría cinética de los líquidos debe, en consecuencia, desarrollarse como una generalización y extensión de la teoría cinética de los sólidos". cuerpos. De hecho, sería más correcto unificarlos bajo el título de 'cuerpos condensados'".

Historia de la física de la materia condensada

Física clásica

Heike Kamerlingh Onnes y Johannes van der Waals con el helio liquefactor en Leiden en 1908

Uno de los primeros estudios de los estados condensados de la materia fue realizado por el químico inglés Humphry Davy, en las primeras décadas del siglo XIX. Davy observó que de los cuarenta elementos químicos conocidos en ese momento, veintiséis tenían propiedades metálicas como brillo, ductilidad y alta conductividad eléctrica y térmica. Esto indicaba que los átomos en la teoría atómica de John Dalton no eran indivisibles como afirmaba Dalton, sino que tenían una estructura interna. Davy afirmó además que los elementos que entonces se creía que eran gases, como el nitrógeno y el hidrógeno, podrían licuarse en las condiciones adecuadas y luego se comportarían como metales.

En 1823, Michael Faraday, entonces asistente en el laboratorio de Davy, licuó con éxito el cloro y luego licuó todos los elementos gaseosos conocidos, excepto el nitrógeno, el hidrógeno y el oxígeno. Poco después, en 1869, el químico irlandés Thomas Andrews estudió la transición de fase de un líquido a un gas y acuñó el término punto crítico para describir la condición en la que un gas y un líquido eran indistinguibles como fases, y el físico holandés Johannes van der Waals suministró el marco teórico que permitió la predicción del comportamiento crítico basado en mediciones a temperaturas mucho más altas. En 1908, James Dewar y Heike Kamerlingh Onnes pudieron licuar con éxito el hidrógeno y el helio recién descubierto, respectivamente.

Paul Drude en 1900 propuso el primer modelo teórico para un electrón clásico moviéndose a través de un sólido metálico. El modelo de Drude describía las propiedades de los metales en términos de un gas de electrones libres y fue el primer modelo microscópico en explicar observaciones empíricas como la ley de Wiedemann-Franz. Sin embargo, a pesar del éxito del modelo de electrones libres de Drude, tenía un problema notable: no podía explicar correctamente la contribución electrónica al calor específico y las propiedades magnéticas de los metales, y la dependencia de la resistividad con la temperatura a bajas temperaturas.

En 1911, tres años después de que el helio se licuara por primera vez, Onnes, que trabajaba en la Universidad de Leiden, descubrió la superconductividad en el mercurio, cuando observó que la resistividad eléctrica del mercurio desaparecía a temperaturas por debajo de cierto valor. El fenómeno sorprendió por completo a los mejores físicos teóricos de la época, y permaneció sin explicación durante varias décadas. Albert Einstein, en 1922, dijo con respecto a las teorías contemporáneas de la superconductividad que "con nuestra amplia ignorancia de la mecánica cuántica de los sistemas compuestos, estamos muy lejos de poder componer una teoría a partir de estas vagas ideas".;

Advenimiento de la mecánica cuántica

El modelo clásico de Drude fue ampliado por Wolfgang Pauli, Arnold Sommerfeld, Felix Bloch y otros físicos. Pauli se dio cuenta de que los electrones libres en el metal deben obedecer las estadísticas de Fermi-Dirac. Usando esta idea, desarrolló la teoría del paramagnetismo en 1926. Poco después, Sommerfeld incorporó las estadísticas de Fermi-Dirac en el modelo de electrones libres y mejoró la explicación de la capacidad calorífica. Dos años más tarde, Bloch utilizó la mecánica cuántica para describir el movimiento de un electrón en una red periódica. Las matemáticas de las estructuras cristalinas desarrolladas por Auguste Bravais, Yevgraf Fyodorov y otros se utilizaron para clasificar los cristales por su grupo de simetría, y las tablas de estructuras cristalinas fueron la base de la serie International Tables of Crystallography, publicada por primera vez en 1935. Los cálculos de estructura de bandas se utilizaron por primera vez en 1930 para predecir las propiedades de nuevos materiales, y en 1947 John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley desarrollaron el primer transistor basado en semiconductores, anunciando una revolución en la electrónica.

Una réplica del primer transistor de contacto punto en los laboratorios Bell

En 1879, Edwin Herbert Hall, que trabajaba en la Universidad Johns Hopkins, descubrió un voltaje desarrollado a través de conductores transversales a una corriente eléctrica en el conductor y un campo magnético perpendicular a la corriente. Este fenómeno que surge debido a la naturaleza de los portadores de carga en el conductor se denominó efecto Hall, pero no se explicó adecuadamente en ese momento, ya que el electrón no se descubrió experimentalmente hasta 18 años después. Después del advenimiento de la mecánica cuántica, Lev Landau en 1930 desarrolló la teoría de la cuantización de Landau y sentó las bases para la explicación teórica del efecto Hall cuántico descubierto medio siglo después.

El magnetismo como propiedad de la materia se conoce en China desde el año 4000 a. Sin embargo, los primeros estudios modernos del magnetismo solo comenzaron con el desarrollo de la electrodinámica por parte de Faraday, Maxwell y otros en el siglo XIX, que incluían la clasificación de materiales como ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos en función de su respuesta a la magnetización. Pierre Curie estudió la dependencia de la magnetización con la temperatura y descubrió la transición de fase del punto de Curie en materiales ferromagnéticos. En 1906, Pierre Weiss introdujo el concepto de dominios magnéticos para explicar las principales propiedades de los ferromagnetos. El primer intento de una descripción microscópica del magnetismo fue realizado por Wilhelm Lenz y Ernst Ising a través del modelo de Ising que describía los materiales magnéticos como consistentes en una red periódica de espines que colectivamente adquirían magnetización. El modelo de Ising se resolvió exactamente para mostrar que la magnetización espontánea no puede ocurrir en una dimensión, pero es posible en redes de dimensiones superiores. Investigaciones posteriores, como las de Bloch sobre ondas de espín y Néel sobre antiferromagnetismo, condujeron al desarrollo de nuevos materiales magnéticos con aplicaciones en dispositivos de almacenamiento magnético.

Física moderna de muchos cuerpos

Un imán levitando sobre un superconductor de alta temperatura. Hoy algunos físicos están trabajando para entender la superconductividad de alta temperatura usando la correspondencia AdS/CFT.

El modelo de Sommerfeld y los modelos de espín para el ferromagnetismo ilustraron la aplicación exitosa de la mecánica cuántica a los problemas de la materia condensada en la década de 1930. Sin embargo, todavía quedaban varios problemas sin resolver, sobre todo la descripción de la superconductividad y el efecto Kondo. Después de la Segunda Guerra Mundial, se aplicaron varias ideas de la teoría cuántica de campos a problemas de materia condensada. Estos incluyeron el reconocimiento de los modos de excitación colectiva de los sólidos y la importante noción de una cuasipartícula. El físico ruso Lev Landau usó la idea de la teoría del líquido de Fermi en la que las propiedades de baja energía de los sistemas de fermiones que interactúan se dieron en términos de lo que ahora se denomina cuasipartículas de Landau. Landau también desarrolló una teoría de campo medio para transiciones de fase continuas, que describía las fases ordenadas como una ruptura espontánea de la simetría. La teoría también introdujo la noción de un parámetro de orden para distinguir entre fases ordenadas. Finalmente, en 1956, John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer desarrollaron la llamada teoría BCS de la superconductividad, basada en el descubrimiento de que la atracción arbitrariamente pequeña entre dos electrones de espín opuesto mediada por fonones en la red puede dar lugar a un estado ligado llamado un par de Cooper.

El efecto cuántico Hall: Componentes de la resistividad Hall como función del campo magnético externo

El estudio de las transiciones de fase y el comportamiento crítico de los observables, denominados fenómenos críticos, fue un campo de gran interés en la década de 1960. Leo Kadanoff, Benjamin Widom y Michael Fisher desarrollaron las ideas de los exponentes críticos y la escala de Widom. Estas ideas fueron unificadas por Kenneth G. Wilson en 1972, bajo el formalismo del grupo de renormalización en el contexto de la teoría cuántica de campos.

El efecto cuántico Hall fue descubierto por Klaus von Klitzing, Dorda y Pepper en 1980 cuando observaron la conducta del Hall como múltiples enteros de una constante fundamental e2/h{displaystyle e^{2}/h}(véase la figura) Se observó que el efecto era independiente de parámetros como el tamaño del sistema y las impurezas. En 1981, el teórico Robert Laughlin propuso una teoría que explicaba la precisión no anticipada de la meseta integral. También implicó que la conducta Hall es proporcional a un invariante topológico, llamado número Chern, cuya relevancia para la estructura de banda de sólidos fue formulada por David J. Thouless y colaboradores. Poco después, en 1982, Horst Störmer y Daniel Tsui observaron el cuántico fraccional efecto Hall donde la conducta era ahora un múltiplo racional de la constante e2/h{displaystyle e^{2}/h}. Laughlin, en 1983, se dio cuenta de que esto era una consecuencia de la interacción de la cuasippartícula en los estados Hall y formuló una solución de método de variación, llamada la función de onda Laughlin. El estudio de las propiedades topológicas del efecto fraccional Hall sigue siendo un campo activo de investigación. Décadas más tarde, la mencionada teoría de banda topológica avanzada por David J. Thouless y colaboradores se amplió aún más llevando al descubrimiento de los aislantes topológicos.

En 1986, Karl Müller y Johannes Bednorz descubrieron el primer superconductor de alta temperatura, un material que era superconductor a temperaturas de hasta 50 Kelvin. Se observó que los superconductores de alta temperatura son ejemplos de materiales fuertemente correlacionados en los que las interacciones electrón-electrón juegan un papel importante. Todavía no se conoce una descripción teórica satisfactoria de los superconductores de alta temperatura y el campo de los materiales fuertemente correlacionados sigue siendo un tema de investigación activo.

En 2009, David Field e investigadores de la Universidad de Aarhus descubrieron campos eléctricos espontáneos al crear películas prosaicas de varios gases. Esto se ha expandido más recientemente para formar el área de investigación de spontelectrics.

En 2012, varios grupos publicaron preprints que sugieren que el hexaboruro de samario tiene las propiedades de un aislante topológico de acuerdo con las predicciones teóricas anteriores. Dado que el hexaboruro de samario es un aislador de Kondo establecido, es decir, un material de electrones fuertemente correlacionado, se espera que la existencia de un estado superficial topológico de Dirac en este material conduzca a un aislador topológico con fuertes correlaciones electrónicas.

Teórico

La física teórica de la materia condensada implica el uso de modelos teóricos para comprender las propiedades de los estados de la materia. Estos incluyen modelos para estudiar las propiedades electrónicas de los sólidos, como el modelo Drude, la estructura de bandas y la teoría funcional de la densidad. También se han desarrollado modelos teóricos para estudiar la física de las transiciones de fase, como la teoría de Ginzburg-Landau, los exponentes críticos y el uso de métodos matemáticos de la teoría cuántica de campos y el grupo de renormalización. Los estudios teóricos modernos implican el uso de computación numérica de la estructura electrónica y herramientas matemáticas para comprender fenómenos como la superconductividad a alta temperatura, las fases topológicas y las simetrías de calibre.

Emergencia

La comprensión teórica de la física de la materia condensada está estrechamente relacionada con la noción de emergencia, en la que complejos ensamblajes de partículas se comportan de maneras radicalmente diferentes a sus constituyentes individuales. Por ejemplo, una variedad de fenómenos relacionados con la superconductividad a alta temperatura se comprenden poco, aunque la física microscópica de los electrones individuales y las redes es bien conocida. De manera similar, se han estudiado modelos de sistemas de materia condensada donde las excitaciones colectivas se comportan como fotones y electrones, describiendo así el electromagnetismo como un fenómeno emergente. Las propiedades emergentes también pueden ocurrir en la interfaz entre materiales: un ejemplo es la interfaz de aluminato de lantano-titanato de estroncio, donde se unen dos bandas aislantes para crear conductividad y superconductividad.

Teoría electrónica de sólidos

Históricamente, el estado metálico ha sido un componente importante para estudiar las propiedades de los sólidos. La primera descripción teórica de los metales fue dada por Paul Drude en 1900 con el modelo Drude, que explicaba las propiedades eléctricas y térmicas describiendo un metal como un gas ideal de electrones recién descubiertos. Pudo derivar la ley empírica de Wiedemann-Franz y obtener resultados que concordaban estrechamente con los experimentos. Luego, este modelo clásico fue mejorado por Arnold Sommerfeld, quien incorporó las estadísticas de electrones de Fermi-Dirac y pudo explicar el comportamiento anómalo del calor específico de los metales en la ley de Wiedemann-Franz. En 1912, Max von Laue y Paul Knipping estudiaron la estructura de los sólidos cristalinos, cuando observaron el patrón de difracción de rayos X de los cristales y concluyeron que los cristales obtienen su estructura a partir de redes periódicas de átomos. En 1928, el físico suizo Felix Bloch proporcionó una solución de función de onda a la ecuación de Schrödinger con un potencial periódico, conocida como teorema de Bloch.

Calcular las propiedades electrónicas de los metales resolviendo la función de onda de muchos cuerpos suele ser complicado desde el punto de vista computacional y, por lo tanto, se necesitan métodos de aproximación para obtener predicciones significativas. La teoría de Thomas-Fermi, desarrollada en la década de 1920, se utilizó para estimar la energía del sistema y la densidad electrónica al tratar la densidad electrónica local como un parámetro variacional. Más tarde, en la década de 1930, Douglas Hartree, Vladimir Fock y John Slater desarrollaron la llamada función de onda de Hartree-Fock como una mejora del modelo de Thomas-Fermi. El método Hartree-Fock tuvo en cuenta las estadísticas de intercambio de funciones de onda de electrones de partículas individuales. En general, es muy difícil resolver la ecuación de Hartree-Fock. Solo el caso del gas de electrones libres puede resolverse exactamente. Finalmente, en 1964-1965, Walter Kohn, Pierre Hohenberg y Lu Jeu Sham propusieron la teoría funcional de la densidad (DFT) que proporcionaba descripciones realistas de las propiedades superficiales y de volumen de los metales. La teoría funcional de la densidad se ha utilizado ampliamente desde la década de 1970 para los cálculos de la estructura de bandas de una variedad de sólidos.

Romper la simetría

Algunos estados de la materia exhiben ruptura de simetría, donde las leyes físicas relevantes poseen alguna forma de simetría que se rompe. Un ejemplo común son los sólidos cristalinos, que rompen la simetría traslacional continua. Otros ejemplos incluyen ferromagnetos magnetizados, que rompen la simetría rotacional, y estados más exóticos como el estado fundamental de un superconductor BCS, que rompe la simetría rotacional de fase U(1).

El teorema de Goldstone en la teoría cuántica de campos establece que en un sistema con simetría continua rota, pueden existir excitaciones con energía arbitrariamente baja, llamadas bosones de Goldstone. Por ejemplo, en sólidos cristalinos, estos corresponden a fonones, que son versiones cuantificadas de vibraciones de red.

Transición de fase

La transición de fase se refiere al cambio de fase de un sistema, que se produce por el cambio en un parámetro externo, como la temperatura. La transición de fase clásica ocurre a temperatura finita cuando se destruye el orden del sistema. Por ejemplo, cuando el hielo se derrite y se convierte en agua, la estructura cristalina ordenada se destruye.

En las transiciones de fase cuánticas, la temperatura se establece en el cero absoluto y el parámetro de control no térmico, como la presión o el campo magnético, provoca las transiciones de fase cuando las fluctuaciones cuánticas que se originan en el principio de incertidumbre de Heisenberg destruyen el orden. Aquí, las diferentes fases cuánticas del sistema se refieren a distintos estados fundamentales de la matriz hamiltoniana. Comprender el comportamiento de la transición de fase cuántica es importante en las difíciles tareas de explicar las propiedades de los aislantes magnéticos de tierras raras, los superconductores de alta temperatura y otras sustancias.

Se producen dos clases de transiciones de fase: transiciones de primer orden y segundo orden o transiciones continuas. Para este último, las dos fases involucradas no coexisten a la temperatura de transición, también llamada punto crítico. Cerca del punto crítico, los sistemas experimentan un comportamiento crítico, en el que varias de sus propiedades, como la longitud de correlación, el calor específico y la susceptibilidad magnética, divergen exponencialmente. Estos fenómenos críticos presentan serios desafíos para los físicos porque las leyes macroscópicas normales ya no son válidas en la región y se deben inventar ideas y métodos novedosos para encontrar las nuevas leyes que pueden describir el sistema.

La teoría más simple que puede describir transiciones de fase continuas es la teoría de Ginzburg-Landau, que funciona en la denominada aproximación de campo medio. Sin embargo, solo puede explicar aproximadamente la transición de fase continua para los superconductores ferroeléctricos y de tipo I, que implica interacciones microscópicas de largo alcance. Para otros tipos de sistemas que involucran interacciones de corto alcance cerca del punto crítico, se necesita una teoría mejor.

Cerca del punto crítico, las fluctuaciones ocurren en una amplia gama de escalas de tamaño, mientras que la característica de todo el sistema es la escala invariable. Los métodos de grupo de renormalización promedian sucesivamente las fluctuaciones de longitud de onda más cortas en las etapas mientras retienen sus efectos en la siguiente etapa. Por lo tanto, los cambios de un sistema físico vistos en diferentes escalas de tamaño pueden investigarse sistemáticamente. Los métodos, junto con una poderosa simulación por computadora, contribuyen en gran medida a la explicación de los fenómenos críticos asociados con la transición de fase continua.

Experimental

La física experimental de la materia condensada implica el uso de sondas experimentales para tratar de descubrir nuevas propiedades de los materiales. Tales sondas incluyen efectos de campos eléctricos y magnéticos, funciones de respuesta de medición, propiedades de transporte y termometría. Los métodos experimentales de uso común incluyen la espectroscopia, con sondas como rayos X, luz infrarroja y dispersión inelástica de neutrones; estudio de la respuesta térmica, como el calor específico y la medición del transporte a través de la conducción térmica y térmica.

Imagen del patrón de difracción de rayos X de un cristal de proteína.

Dispersión

Varios experimentos de materia condensada implican la dispersión de una sonda experimental, como rayos X, fotones ópticos, neutrones, etc., en los constituyentes de un material. La elección de la sonda de dispersión depende de la escala de energía de observación de interés. La luz visible tiene una energía en la escala de 1 electronvoltio (eV) y se utiliza como sonda de dispersión para medir las variaciones en las propiedades de los materiales, como la constante dieléctrica y el índice de refracción. Los rayos X tienen energías del orden de 10 keV y, por lo tanto, pueden sondear escalas de longitud atómica y se utilizan para medir variaciones en la densidad de carga de electrones.

Los neutrones también pueden sondear escalas de longitud atómica y se utilizan para estudiar la dispersión de núcleos y espines de electrones y la magnetización (ya que los neutrones tienen espín pero no carga). Las mediciones de dispersión de Coulomb y Mott se pueden realizar utilizando haces de electrones como sondas de dispersión. De manera similar, la aniquilación de positrones se puede usar como una medida indirecta de la densidad electrónica local. La espectroscopia láser es una excelente herramienta para estudiar las propiedades microscópicas de un medio, por ejemplo, para estudiar transiciones prohibidas en medios con espectroscopia óptica no lineal.

Campos magnéticos externos

En la física experimental de la materia condensada, los campos magnéticos externos actúan como variables termodinámicas que controlan el estado, las transiciones de fase y las propiedades de los sistemas materiales. La resonancia magnética nuclear (RMN) es un método mediante el cual se utilizan campos magnéticos externos para encontrar modos de resonancia de electrones individuales, lo que brinda información sobre la estructura atómica, molecular y de enlace de su vecindad. Los experimentos de RMN se pueden realizar en campos magnéticos con intensidades de hasta 60 tesla. Los campos magnéticos más altos pueden mejorar la calidad de los datos de medición de RMN. Las oscilaciones cuánticas son otro método experimental en el que se utilizan campos magnéticos intensos para estudiar las propiedades de los materiales, como la geometría de la superficie de Fermi. Los campos magnéticos altos serán útiles para probar experimentalmente las diversas predicciones teóricas, como el efecto magnetoeléctrico cuantificado, el monopolo magnético de imagen y el efecto Hall cuántico semientero.

Espectroscopia nuclear

La estructura local, la estructura de los átomos vecinos más cercanos, de la materia condensada se puede investigar con métodos de espectroscopia nuclear, que son muy sensibles a pequeños cambios. Usando núcleos específicos y radiactivos, el núcleo se convierte en la sonda que interactúa con los campos eléctricos y magnéticos que lo rodean (interacciones hiperfinas). Los métodos son adecuados para estudiar defectos, difusión, cambio de fase, magnetismo. Los métodos comunes son, p. RMN, espectroscopia de Mössbauer o correlación angular perturbada (PAC). Especialmente PAC es ideal para el estudio de cambios de fase a temperaturas extremas por encima de 2000 °C debido a que el método no depende de la temperatura.

Gases atómicos fríos

El primer condensado Bose-Einstein observado en un gas de átomos de rubidium ultracold. Las áreas azules y blancas representan mayor densidad.

La captura de átomos ultrafríos en redes ópticas es una herramienta experimental comúnmente utilizada en la física de la materia condensada y en la física atómica, molecular y óptica. El método implica el uso de láseres ópticos para formar un patrón de interferencia, que actúa como una red, en la que se pueden colocar iones o átomos a temperaturas muy bajas. Los átomos fríos en las redes ópticas se utilizan como simuladores cuánticos, es decir, actúan como sistemas controlables que pueden modelar el comportamiento de sistemas más complicados, como los imanes frustrados. En particular, se utilizan para diseñar redes unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales para un modelo Hubbard con parámetros preespecificados, y para estudiar las transiciones de fase para la ordenación de líquidos antiferromagnéticos y de espín.

En 1995, se utilizó un gas de átomos de rubidio enfriado a una temperatura de 170 nK para realizar experimentalmente el condensado de Bose-Einstein, un nuevo estado de la materia originalmente predicho por S. N. Bose y Albert Einstein, en el que una gran cantidad de átomos ocupar un estado cuántico.

Aplicaciones

Simulación de computación nanogears hecho de moléculas de fullerene. Se espera que los avances en la nanociencia conduzcan a máquinas que trabajan a escala molecular.

La investigación en física de la materia condensada ha dado lugar a varias aplicaciones de dispositivos, como el desarrollo del transistor semiconductor, la tecnología láser y varios fenómenos estudiados en el contexto de la nanotecnología. Los métodos como la microscopía de túnel de barrido se pueden utilizar para controlar procesos a escala nanométrica y han dado lugar al estudio de la nanofabricación. Estas máquinas moleculares fueron desarrolladas, por ejemplo, por el premio Nobel de química Ben Feringa. Él y su equipo desarrollaron múltiples máquinas moleculares, como un automóvil molecular, un molino de viento molecular y muchas más.

En la computación cuántica, la información se representa mediante bits cuánticos o qubits. Los qubits pueden decoherirse rápidamente antes de que se complete el cálculo útil. Este grave problema debe resolverse antes de que se pueda realizar la computación cuántica. Para resolver este problema, se proponen varios enfoques prometedores en la física de la materia condensada, incluidos los qubits de unión de Josephson, los qubits espintrónicos que utilizan la orientación del espín de los materiales magnéticos o los aniones topológicos no abelianos de los estados de efecto Hall cuánticos fraccionarios.

La física de la materia condensada también tiene usos importantes para la biofísica, por ejemplo, el método experimental de imágenes por resonancia magnética, que se usa ampliamente en el diagnóstico médico.