Física del estado sólido

La física del estado sólido es el estudio de la materia rígida, o sólidos, a través de métodos como la mecánica cuántica, la cristalografía, el electromagnetismo y la metalurgia. Es la rama más grande de la física de la materia condensada. La física del estado sólido estudia cómo las propiedades a gran escala de los materiales sólidos resultan de sus propiedades a escala atómica. Por lo tanto, la física del estado sólido forma una base teórica de la ciencia de los materiales. También tiene aplicaciones directas, por ejemplo en la tecnología de transistores y semiconductores.

Antecedentes

Los materiales sólidos se forman a partir de átomos densamente empaquetados, que interactúan intensamente. Estas interacciones producen las propiedades mecánicas (por ejemplo, dureza y elasticidad), térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas de los sólidos. Según el material involucrado y las condiciones en las que se formó, los átomos pueden estar dispuestos en un patrón geométrico regular (sólidos cristalinos, que incluyen metales y hielo de agua común) o irregularmente (un sólido amorfo como el vidrio de una ventana común).

La mayor parte de la física del estado sólido, como teoría general, se centra en los cristales. Principalmente, esto se debe a que la periodicidad de los átomos en un cristal, su característica definitoria, facilita el modelado matemático. Del mismo modo, los materiales cristalinos suelen tener propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas o mecánicas que pueden aprovecharse con fines de ingeniería.

Las fuerzas entre los átomos en un cristal pueden tomar una variedad de formas. Por ejemplo, en un cristal de cloruro de sodio (sal común), el cristal está formado por sodio iónico y cloro, y se mantiene unido mediante enlaces iónicos. En otros, los átomos comparten electrones y forman enlaces covalentes. En los metales, los electrones se comparten entre todo el cristal en enlaces metálicos. Finalmente, los gases nobles no sufren ninguno de estos tipos de enlaces. En forma sólida, los gases nobles se mantienen unidos por fuerzas de van der Waals resultantes de la polarización de la nube de carga electrónica en cada átomo. Las diferencias entre los tipos de sólidos resultan de las diferencias entre sus enlaces.

Historia

Las propiedades físicas de los sólidos han sido temas comunes de investigación científica durante siglos, pero un campo separado llamado física del estado sólido no surgió hasta la década de 1940, en particular con el establecimiento de la División de Física del Estado Sólido. (DSSP) dentro de la Sociedad Americana de Física. El DSSP atendió a los físicos industriales, y la física del estado sólido se asoció con las aplicaciones tecnológicas posibles gracias a la investigación de los sólidos. A principios de la década de 1960, la DSSP era la división más grande de la Sociedad Estadounidense de Física.

Grandes comunidades de físicos del estado sólido también surgieron en Europa después de la Segunda Guerra Mundial, en particular en Inglaterra, Alemania y la Unión Soviética. En los Estados Unidos y Europa, el estado sólido se convirtió en un campo destacado a través de sus investigaciones sobre semiconductores, superconductividad, resonancia magnética nuclear y otros fenómenos diversos. Durante los primeros años de la Guerra Fría, la investigación en física del estado sólido a menudo no se limitaba a los sólidos, lo que llevó a algunos físicos en las décadas de 1970 y 1980 a fundar el campo de la física de la materia condensada, que se organizaba en torno a técnicas comunes utilizadas para investigar sólidos, líquidos, plasmas, y otros asuntos complejos. Hoy en día, la física del estado sólido se considera ampliamente como el subcampo de la física de la materia condensada, a menudo denominada materia condensada dura, que se centra en las propiedades de los sólidos con redes cristalinas regulares.

Estructura y propiedades del cristal

Un ejemplo de una celosía cúbica

Muchas propiedades de los materiales se ven afectadas por su estructura cristalina. Esta estructura se puede investigar utilizando una variedad de técnicas cristalográficas, incluida la cristalografía de rayos X, la difracción de neutrones y la difracción de electrones.

Los tamaños de los cristales individuales en un material sólido cristalino varían según el material involucrado y las condiciones cuando se formó. La mayoría de los materiales cristalinos que se encuentran en la vida cotidiana son policristalinos, y los cristales individuales tienen una escala microscópica, pero los monocristales macroscópicos se pueden producir de forma natural (por ejemplo, diamantes) o artificialmente.

Los cristales reales presentan defectos o irregularidades en los arreglos ideales, y son estos defectos los que determinan de manera crítica muchas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales reales.

Propiedades electrónicas

La física del estado sólido investiga las propiedades de los materiales, como la conducción eléctrica y la capacidad calorífica. Uno de los primeros modelos de conducción eléctrica fue el modelo de Drude, que aplicaba la teoría cinética a los electrones en un sólido. Suponiendo que el material contiene iones positivos inmóviles y un "gas de electrones" de electrones clásicos que no interactúan, el modelo de Drude pudo explicar la conductividad eléctrica y térmica y el efecto Hall en los metales, aunque sobrestimó en gran medida la capacidad de calor electrónico.

Arnold Sommerfeld combinó el modelo clásico de Drude con la mecánica cuántica en el modelo de electrones libres (o modelo de Drude-Sommerfeld). Aquí, los electrones se modelan como un gas de Fermi, un gas de partículas que obedecen a las estadísticas mecánicas cuánticas de Fermi-Dirac. El modelo de electrones libres brindó predicciones mejoradas para la capacidad calorífica de los metales, sin embargo, no pudo explicar la existencia de aisladores.

El modelo de electrones casi libres es una modificación del modelo de electrones libres que incluye una perturbación periódica débil destinada a modelar la interacción entre los electrones de conducción y los iones en un sólido cristalino. Al introducir la idea de bandas electrónicas, la teoría explica la existencia de conductores, semiconductores y aislantes.

El modelo de electrones casi libres reescribe la ecuación de Schrödinger para el caso de un potencial periódico. Las soluciones en este caso se conocen como estados de Bloch. Dado que el teorema de Bloch se aplica solo a potenciales periódicos, y dado que los movimientos aleatorios incesantes de los átomos en un cristal interrumpen la periodicidad, este uso del teorema de Bloch es solo una aproximación, pero ha demostrado ser una aproximación tremendamente valiosa., sin el cual la mayoría de los análisis de física del estado sólido serían intratables. Las desviaciones de la periodicidad se tratan mediante la teoría de perturbaciones de la mecánica cuántica.

Investigación moderna

Los temas de investigación modernos en física del estado sólido incluyen:

• Superconductividad de alta temperatura
• Quasicrystals
• Cristal de giro
• Materiales fuertemente correlativos
• Materiales bidimensionales
• Nomateriales