Физика конденсированного состояния

Физика конденсированного состояния — это область физики, которая занимается макроскопическими и микроскопическими физическими свойствами материи, особенно твердой и жидкой фаз, которые возникают в результате электромагнитных сил между атомами и электронами. В более общем плане речь идет о конденсированных фазах материи: системах многих компонентов с сильными взаимодействиями между ними. Более экзотические конденсированные фазы включают сверхпроводящую фазу, проявляемую некоторыми материалами при чрезвычайно низких криогенных температурах, ферромагнитную и антиферромагнитную фазы спинов на кристаллических решетках атомов, конденсаты Бозе-Эйнштейна, обнаруженные в ультрахолодных атомных системах, и жидкие кристаллы. Физики конденсированного состояния стремятся понять поведение этих фаз с помощью экспериментов по измерению различных свойств материалов и применения физических законов квантовой механики, электромагнетизма, статистической механики и других физических теорий для разработки математических моделей и предсказания свойств чрезвычайно больших групп. атомов.

Разнообразие систем и явлений, доступных для изучения, делает физику конденсированного состояния наиболее активной областью современной физики: треть всех американских физиков идентифицируют себя как физики конденсированного состояния, а Отдел физики конденсированного состояния является крупнейшим подразделением Американского физического факультета. Общество. К ним относятся физики твердого тела и мягкой материи, которые изучают квантовые и неквантовые физические свойства материи соответственно. Оба типа изучают широкий спектр материалов, предоставляя множество возможностей для исследований, финансирования и трудоустройства. Эта область пересекается с химией, материаловедением, инженерией и нанотехнологиями и тесно связана с атомной физикой и биофизикой. Теоретическая физика конденсированного состояния разделяет важные концепции и методы с физикой элементарных частиц и ядерной физикой.

Различные темы физики, такие как кристаллография, металлургия, упругость, магнетизм и т. д., рассматривались как отдельные области до 1940-х годов, когда они были сгруппированы вместе как физика твердого тела. Примерно в 1960-е годы к этому списку добавилось изучение физических свойств жидкостей, что послужило основой для более обширной специальности — физики конденсированного состояния. Bell Telephone Laboratories была одним из первых институтов, проводивших исследовательскую программу в области физики конденсированного состояния. По словам директора-основателя Института исследований твердого тела Макса Планка профессора физики Мануэля Кардоны, именно Альберт Эйнштейн создал современную область физики конденсированного состояния, начиная с его основополагающей статьи 1905 года о фотоэлектрическом эффекте и фотолюминесценции, которая открыла области физики конденсированного состояния. фотоэлектронная спектроскопия и фотолюминесцентная спектроскопия, а позже его статья 1907 года о теплоемкости твердых тел, в которой впервые было показано влияние колебаний решетки на термодинамические свойства кристаллов, в частности на теплоемкость. Заместитель директора Йельского квантового института А. Дуглас Стоун приводит аналогичные аргументы в пользу Эйнштейна в своей работе по синтетической истории квантовой механики.

Этимология

По словам физика Филипа Уоррена Андерсона, термин «конденсированное вещество» для обозначения области исследований был придуман им и Фолькером Гейне, когда они изменили название своей группы в Кавендишских лабораториях в Кембридже с «Твердое тело». от теории государства до Теории конденсированного состояния в 1967 году, так как они считали, что она лучше включает их интерес к жидкостям, ядерной материи и так далее. Хотя Андерсон и Гейне помогли популяризировать название «конденсированное вещество», оно использовалось в Европе в течение нескольких лет, наиболее заметно в журнале Springer-Verlag Physics of Condensed Matter, выпущенном в 1963 году. Название « «Физика конденсированного состояния» подчеркивала общность научных проблем, с которыми сталкиваются физики, работающие над твердыми телами, жидкостями, плазмой и другими сложными веществами, тогда как «физика твердого тела» часто ассоциировалась с ограниченным промышленным применением металлов и полупроводников. В 1960-х и 70-х годах некоторые физики считали, что более полное название лучше соответствует условиям финансирования и политике холодной войны того времени.

Ссылки на «конденсированные» состояния можно найти в более ранних источниках. Например, во введении к своей книге Кинетическая теория жидкостей 1947 года Яков Френкель предположил, что «Кинетическая теория жидкостей должна соответственно развиваться как обобщение и расширение кинетической теории твердых тел. на самом деле правильнее было бы объединить их под названием «конденсированные тела‘«.

История

Классическая физика

Одно из первых исследований конденсированных состояний вещества было проведено английским химиком Хэмфри Дэви в первые десятилетия девятнадцатого века. Дэви заметил, что из сорока химических элементов, известных в то время, двадцать шесть обладали металлическими свойствами, такими как блеск, пластичность и высокая электро- и теплопроводность. Это указывало на то, что атомы в атомной теории Джона Дальтона не были неделимы, как утверждал Дальтон, а имели внутреннюю структуру. Дэви также утверждал, что элементы, которые тогда считались газами, такие как азот и водород, могли быть сжижены при правильных условиях и затем вели себя как металлы.[примечание 1]

В 1823 году Майкл Фарадей, тогда ассистент в лаборатории Дэви, успешно сжижил хлор и продолжил сжижать все известные газообразные элементы, за исключением азота, водорода и кислорода. Вскоре после этого, в 1869 году, ирландский химик Томас Эндрюс изучал фазовый переход из жидкости в газ и ввел термин «критическая точка» для описания состояния, при котором газ и жидкость были неразличимы как фазы, а голландский физик Иоганнес ван дер Ваальс предоставил теоретическую основу, которая позволила предсказать критическое поведение на основе измерений при гораздо более высоких температурах.: 35–38  К 1908 году Джеймс Дьюар и Хайке Камерлинг-Оннес успешно смогли сжижить водород, а затем недавно открытый гелий соответственно.

Пол Друде в 1900 году предложил первую теоретическую модель классического электрона, движущегося через металлическое твердое тело. Модель Друде описывала свойства металлов с точки зрения газа свободных электронов и была первой микроскопической моделью, объясняющей эмпирические наблюдения, такие как закон Видемана-Франца: 27–29 . Однако, несмотря на успех модели Друде, у нее было одно примечательное явление. Проблема: не удалось правильно объяснить электронный вклад в теплоемкость и магнитные свойства металлов, а также температурную зависимость удельного сопротивления при низких температурах.: 366–368

В 1911 году, через три года после того, как гелий был впервые сжижен, Оннес, работавший в Лейденском университете, открыл сверхпроводимость ртути, когда он наблюдал, как электрическое сопротивление ртути исчезает при температурах ниже определенного значения. Это явление полностью удивило лучших физиков-теоретиков того времени и оставалось необъясненным в течение нескольких десятилетий. Альберт Эйнштейн в 1922 году сказал относительно современных теорий сверхпроводимости, что «с нашим далеко идущим незнанием квантовой механики составных систем мы очень далеки от того, чтобы составить теорию из этих смутных идей».

Появление квантовой механики

Классическая модель Друде была дополнена Вольфгангом Паули, Арнольдом Зоммерфельдом, Феликсом Блохом и другими физиками. Паули понял, что свободные электроны в металле должны подчиняться статистике Ферми – Дирака. Используя эту идею, он разработал теорию парамагнетизма в 1926 году. Вскоре после этого Зоммерфельд включил статистику Ферми – Дирака в модель свободных электронов и помог лучше объяснить теплоемкость. Два года спустя Блох использовал квантовую механику для описания движения электрона в периодической решетке.: 366–368  Математика кристаллических структур, разработанная Огюстом Браве, Евграфом Федоровым и другими, использовалась для классификации кристаллов по их группам симметрии и таблицам. Кристаллические структуры легли в основу серии Международные таблицы кристаллографии, впервые опубликованной в 1935 году. Расчеты зонной структуры были впервые использованы в 1930 году для предсказания свойств новых материалов, а в 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли разработали первый полупроводниковый транзистор, ознаменовав революцию в электронике.

В 1879 году Эдвин Герберт Холл, работавший в Университете Джонса Хопкинса, обнаружил напряжение, возникающее на проводниках поперек электрического тока в проводнике и магнитного поля, перпендикулярного току. Это явление, возникающее из-за природы носителей заряда в проводнике, получило название эффекта Холла, но в то время оно не было должным образом объяснено, поскольку электрон был экспериментально обнаружен лишь 18 лет спустя. После появления квантовой механики Лев Ландау в 1930 году разработал теорию квантования Ландау и заложил основу для теоретического объяснения квантового эффекта Холла, открытого полвека спустя.: 458–460

Магнетизм как свойство материи был известен в Китае с 4000 г. до н.э.: 1–2  Однако первые современные исследования магнетизма начались только с развитием электродинамики Фарадеем, Максвеллом и другими в девятнадцатом веке, которая включала классификацию материалов как ферромагнетик, парамагнетик и диамагнетик в зависимости от их реакции на намагничивание. Пьер Кюри изучил зависимость намагниченности от температуры и обнаружил фазовый переход точки Кюри в ферромагнетиках. В 1906 году Пьер Вайс ввел концепцию магнитных доменов для объяснения основных свойств ферромагнетиков.: 9  Первая попытка микроскопического описания магнетизма была предпринята Вильгельмом Ленцем и Эрнстом Изингом с помощью модели Изинга, которая описывала магнитные материалы как состоящие из периодических решетка спинов, которые коллективно приобрели намагниченность. Модель Изинга была решена именно для того, чтобы показать, что спонтанная намагниченность может возникать в одном измерении и возможна в решетках более высоких размерностей. Дальнейшие исследования, такие как Блох по спиновым волнам и Неель по антиферромагнетизму, привели к разработке новых магнитных материалов для применения в магнитных запоминающих устройствах: 36–38, g48.

Современная физика многих тел

Модель Зоммерфельда и спиновые модели ферромагнетизма проиллюстрировали успешное применение квантовой механики к проблемам конденсированного состояния в 1930-х годах. Однако оставалось еще несколько нерешенных проблем, в первую очередь описание сверхпроводимости и эффекта Кондо. После Второй мировой войны несколько идей квантовой теории поля были применены к проблемам конденсированного состояния. К ним относятся признание коллективных мод возбуждения твердых тел и важное понятие квазичастицы. Советский физик Лев Ландау использовал эту идею для теории ферми-жидкости, в которой низкоэнергетические свойства взаимодействующих фермионных систем выражались в терминах того, что сейчас называют квазичастицами Ландау. Ландау также разработал теорию среднего поля для непрерывных фазовых переходов, которая описывала упорядоченные фазы как спонтанное нарушение симметрии. В теории также введено понятие параметра порядка, позволяющего различать упорядоченные фазы. В конце концов, в 1956 году Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер разработали так называемую теорию сверхпроводимости БКШ, основанную на открытии того, что сколь угодно малое притяжение между двумя электронами с противоположным спином, опосредованное фононами в решетке, может привести к возникновению связанного состояния, называемого пара Купера.

Изучение фазовых переходов и критического поведения наблюдаемых, называемых критическими явлениями, было основной областью интересов в 1960-х годах. Лео Каданофф, Бенджамин Видом и Майкл Фишер разработали идеи критических показателей и масштабирования Видома. Эти идеи были объединены Кеннетом Г. Уилсоном в 1972 году в рамках формализма группы перенормировки в контексте квантовой теории поля.

Квантовый эффект Холла был открыт Клаусом фон Клитцингом, Дордой и Пеппером в 1980 году, когда они обнаружили, что проводимость Холла представляет собой целое кратное число фундаментальной константы ${\displaystyle e^{2}/h}$.(см. рисунок). Эффект не зависит от таких параметров, как размер системы и примеси. В 1981 году теоретик Роберт Лафлин предложил теорию, объясняющую неожиданную точность интегрального плато. Это также подразумевало, что проводимость Холла пропорциональна топологическому инварианту, называемому числом Черна, значение которого для зонной структуры твердых тел было сформулировано Дэвидом Дж. Таулессом и его сотрудниками: 69, 74  Вскоре после этого, в 1982 году, Хорст Штёрмер и Дэниел Цуй наблюдал дробный квантовый эффект Холла, при котором проводимость теперь стала кратной константе ${\displaystyle e^{2}/h}$. Лафлин в 1983 году понял, что это является следствием взаимодействия квазичастиц в состояниях Холла, и сформулировал решение вариационного метода, названное волновой функцией Лафлина. Изучение топологических свойств дробного эффекта Холла остается активной областью исследований. Десятилетия спустя вышеупомянутая теория топологических зон, выдвинутая Дэвидом Дж. Таулессом и его сотрудниками, получила дальнейшее развитие, что привело к открытию топологических изоляторов.

В 1986 году Карл Мюллер и Йоханнес Беднорц открыли первый высокотемпературный сверхпроводник La_2-xBa_xCuO₄, который является сверхпроводником при температурах достигает 39 Кельвинов. Стало понятно, что высокотемпературные сверхпроводники являются примером сильно коррелированных материалов, в которых электрон-электронные взаимодействия играют важную роль. Удовлетворительное теоретическое описание высокотемпературных сверхпроводников до сих пор не известно, и область сильно коррелированных материалов продолжает оставаться активной темой исследований.

В 2012 году несколько групп выпустили препринты, которые предполагают, что гексаборид самария обладает свойствами топологического изолятора, что соответствует более ранним теоретическим предсказаниям. Поскольку гексаборид самария является признанным кондо-изолятором, то есть сильно коррелированным электронным материалом, ожидается, что существование топологического поверхностного состояния Дирака в этом материале приведет к топологическому изолятору с сильными электронными корреляциями.

Теоретический

Теоретическая физика конденсированного состояния предполагает использование теоретических моделей для понимания свойств состояний вещества. К ним относятся модели для изучения электронных свойств твердых тел, такие как модель Друде, зонная структура и теория функционала плотности. Для изучения физики фазовых переходов также разработаны теоретические модели, такие как теория Гинзбурга-Ландау, критические показатели и использование математических методов квантовой теории поля и ренормгруппы. Современные теоретические исследования включают использование численных расчетов электронной структуры и математических инструментов для понимания таких явлений, как высокотемпературная сверхпроводимость, топологические фазы и калибровочная симметрия.

Появление

Теоретическое понимание физики конденсированного состояния тесно связано с понятием возникновения, при котором сложные совокупности частиц ведут себя совершенно иначе, чем их отдельные составляющие. Например, плохо изучен ряд явлений, связанных с высокотемпературной сверхпроводимостью, хотя микроскопическая физика отдельных электронов и решеток хорошо известна. Аналогичным образом изучались модели систем конденсированного состояния, в которых коллективные возбуждения ведут себя как фотоны и электроны, тем самым описывая электромагнетизм как возникающее явление. Эмерджентные свойства также могут возникать на границе раздела материалов: одним из примеров является граница раздела алюминат лантана и титаната стронция, где два зонных изолятора соединяются для создания проводимости и сверхпроводимости.

Электронная теория твердого тела

Металлическое состояние исторически было важным строительным блоком для изучения свойств твердых тел. Первое теоретическое описание металлов было дано Полем Друде в 1900 году с помощью модели Друде, которая объясняла электрические и тепловые свойства, описывая металл как идеальный газ из недавно обнаруженных электронов. Ему удалось вывести эмпирический закон Видемана-Франца и получить результаты, близко согласующиеся с экспериментами: 90–91  Эта классическая модель была затем улучшена Арнольдом Зоммерфельдом, который включил статистику электронов Ферми-Дирака и смог объяснить аномальные явления. поведение теплоемкости металлов в законе Видемана-Франца: 101–103  В 1912 году Макс фон Лауэ и Пауль Книппинг изучали структуру кристаллических твердых тел, когда они наблюдали картину дифракции рентгеновских лучей кристаллов, и пришли к выводу, что что кристаллы получают свою структуру из периодических решеток атомов.: 48  В 1928 году швейцарский физик Феликс Блох предложил решение волновой функции уравнения Шрёдингера с периодическим потенциалом, известное как теорема Блоха.

Расчет электронных свойств металлов путем решения волновой функции многих тел часто является вычислительно сложным, и, следовательно, для получения значимых прогнозов необходимы методы аппроксимации. Теория Томаса-Ферми, разработанная в 1920-х годах, использовалась для оценки энергии системы и электронной плотности путем рассмотрения локальной электронной плотности как вариационного параметра. Позже, в 1930-х годах, Дуглас Хартри, Владимир Фок и Джон Слейтер разработали так называемую волновую функцию Хартри-Фока как усовершенствованную модель Томаса-Ферми. Метод Хартри – Фока учитывал статистику обмена волновыми функциями одночастичных электронов. В общем, решить уравнение Хартри–Фока очень сложно. Только случай свободного электронного газа может быть решен точно.: 330–337  Наконец, в 1964–65 годах Вальтер Кон, Пьер Хоэнберг и Лу Джеу Шам предложили теорию функционала плотности (DFT), которая дала реалистичное описание объемных и поверхностных свойств металлов. Теория функционала плотности широко используется с 1970-х годов для расчета зонной структуры различных твердых тел.

Нарушение симметрии

В некоторых состояниях материи наблюдается нарушение симметрии, когда соответствующие законы физики обладают той или иной формой симметрии, которая нарушается. Типичным примером являются кристаллические твердые тела, которые нарушают непрерывную трансляционную симметрию. Другие примеры включают намагниченные ферромагнетики, которые нарушают вращательную симметрию, и более экзотические состояния, такие как основное состояние сверхпроводника БКШ, которое нарушает вращательную симметрию фазы U (1).

Теорема Голдстоуна в квантовой теории поля утверждает, что в системе с нарушенной непрерывной симметрией могут существовать возбуждения сколь угодно малой энергии, называемые бозонами Голдстоуна. Например, в кристаллических твердых телах они соответствуют фононам, которые представляют собой квантованную версию колебаний решетки.

Фаза перехода

Фазовый переход относится к изменению фазы системы, которое вызвано изменением внешнего параметра, такого как температура, давление или молярный состав. В однокомпонентной системе классический фазовый переход происходит при температуре (при определенном давлении), при которой происходит резкое изменение порядка системы. Например, когда лед тает и превращается в воду, упорядоченная гексагональная кристаллическая структура льда модифицируется до подвижного расположения молекул воды с водородными связями.

При квантовых фазовых переходах температура устанавливается равной абсолютному нулю, а нетепловой параметр управления, такой как давление или магнитное поле, вызывает фазовые переходы, когда порядок разрушается квантовыми флуктуациями, возникающими из принципа неопределенности Гейзенберга. Здесь различные квантовые фазы системы относятся к различным основным состояниям матрицы Гамильтона. Понимание поведения квантового фазового перехода важно в сложных задачах объяснения свойств редкоземельных магнитных изоляторов, высокотемпературных сверхпроводников и других веществ.

Встречаются два класса фазовых переходов: переходы первого рода и второго рода или непрерывные переходы. В последнем случае две участвующие фазы не сосуществуют при температуре перехода, также называемой критической точкой. Вблизи критической точки системы подвергаются критическому поведению, при котором некоторые из их свойств, такие как корреляционная длина, теплоемкость и магнитная восприимчивость, расходятся экспоненциально. Эти критические явления представляют собой серьезные проблемы для физиков, поскольку обычные макроскопические законы больше не действуют в этом регионе, и необходимо изобрести новые идеи и методы, чтобы найти новые законы, которые могут описать систему.

Простейшей теорией, способной описать непрерывные фазовые переходы, является теория Гинзбурга–Ландау, работающая в так называемом приближении среднего поля. Однако он может лишь грубо объяснить непрерывный фазовый переход для сегнетоэлектриков и сверхпроводников I типа, который включает в себя дальнодействующие микроскопические взаимодействия. Для других типов систем, которые включают короткодействующие взаимодействия вблизи критической точки, необходима более совершенная теория: 8–11.

Вблизи критической точки флуктуации происходят в широком диапазоне масштабов, в то время как особенность всей системы является масштабно-инвариантной. Методы ренормгруппы поэтапно последовательно усредняют наиболее коротковолновые колебания, сохраняя их эффекты на следующем этапе. Таким образом, изменения физической системы, рассматриваемые в различных масштабах, могут быть исследованы систематически. Эти методы вместе с мощным компьютерным моделированием вносят большой вклад в объяснение критических явлений, связанных с непрерывным фазовым переходом: 11

Экспериментальный

Экспериментальная физика конденсированного состояния предполагает использование экспериментальных зондов для открытия новых свойств материалов. Такие зонды включают воздействие электрических и магнитных полей, измерение функций отклика, транспортных свойств и термометрию. Обычно используемые экспериментальные методы включают спектроскопию с такими датчиками, как рентгеновские лучи, инфракрасный свет и неупругое рассеяние нейтронов; изучение теплового отклика, такого как удельная теплоемкость, и измерение переноса посредством теплопроводности и теплопроводности.

Рассеяние

Некоторые эксперименты с конденсированными средами включают рассеяние экспериментального зонда, такого как рентгеновские лучи, оптические фотоны, нейтроны и т. д., на компонентах материала. Выбор рассеивающего зонда зависит от интересующего энергетического масштаба наблюдения. Видимый свет имеет энергию в размере 1 электрон-вольт (эВ) и используется в качестве датчика рассеяния для измерения изменений свойств материала, таких как диэлектрическая проницаемость и показатель преломления. Рентгеновские лучи имеют энергию порядка 10 кэВ и, следовательно, способны исследовать масштабы атомных длин и используются для измерения изменений плотности электронного заряда и кристаллической структуры.: 33–34

Нейтроны также могут исследовать масштабы атомных длин и используются для изучения рассеяния на ядрах, спинов электронов и намагниченности (поскольку нейтроны имеют спин, но не имеют заряда). Измерения кулоновского и моттовского рассеяния можно проводить, используя электронные лучи в качестве зондов рассеяния.: 33–34 : 39–43  Аналогично, аннигиляцию позитронов можно использовать как косвенное измерение локальной электронной плотности. Лазерная спектроскопия является отличным инструментом для изучения микроскопических свойств среды, например, для изучения запрещенных переходов в средах с помощью нелинейной оптической спектроскопии. : 258–259

Внешние магнитные поля

В экспериментальной физике конденсированного состояния внешние магнитные поля выступают в качестве термодинамических переменных, управляющих состоянием, фазовыми переходами и свойствами материальных систем. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — это метод, с помощью которого внешние магнитные поля используются для обнаружения резонансных режимов отдельных ядер, что дает информацию об атомной, молекулярной и связующей структуре их окружения. Эксперименты ЯМР можно проводить в магнитных полях напряженностью до 60 тесла. Более сильные магнитные поля могут улучшить качество данных измерений ЯМР.: 69 : 185  Квантовые осцилляции — это еще один экспериментальный метод, в котором сильные магнитные поля используются для изучения свойств материала, таких как геометрия поверхности Ферми. Сильные магнитные поля будут полезны при экспериментальной проверке различных теоретических предсказаний, таких как квантованный магнитоэлектрический эффект, магнитный монополь изображения и полуцелый квантовый эффект Холла.: 57

Магнитно-резонансная спектроскопия

Локальную структуру, а также структуру ближайших атомов-соседей можно исследовать в конденсированном состоянии с помощью методов магнитного резонанса, таких как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР), которые очень чувствительны к деталям окружение ядер и электронов посредством сверхтонкой связи. Зондом этих сверхтонких взаимодействий становятся как локализованные электроны, так и специфические стабильные или нестабильные изотопы ядер, которые связывают спин электрона или ядра с локальными электрическими и магнитными полями. Эти методы подходят для изучения дефектов, диффузии, фазовых переходов и магнитного порядка. Общие экспериментальные методы включают ЯМР, ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР), имплантированные радиоактивные зонды, как в случае мюонной спиновой спектроскопии (${\displaystyle \mu }$SR), мессбауэровская спектроскопия, ${\displaystyle \beta }$ЯМР и возмущенная угловая корреляция (PAC). PAC особенно идеален для изучения фазовых изменений при экстремальных температурах выше 2000 °C благодаря температурной независимости метода.

Холодные атомные газы

Захват ультрахолодных атомов в оптических решетках — экспериментальный инструмент, широко используемый в физике конденсированного состояния, а также в атомной, молекулярной и оптической физике. Метод предполагает использование оптических лазеров для формирования интерференционной картины, которая действует как решетка, в которую можно помещать ионы или атомы при очень низких температурах. Холодные атомы в оптических решетках используются как квантовые симуляторы, то есть действуют как управляемые системы, которые могут моделировать поведение более сложных систем, таких как фрустрированные магниты. В частности, они используются для создания одно-, двух- и трехмерных решеток для модели Хаббарда с заранее заданными параметрами, а также для изучения фазовых переходов при упорядочении антиферромагнитной жидкости и спиновой жидкости.

В 1995 году газ атомов рубидия, охлажденный до температуры 170 нК, был использован для экспериментальной реализации конденсата Бозе-Эйнштейна, нового состояния вещества, первоначально предсказанного С. Н. Бозе и Альбертом Эйнштейном, в котором большое количество атомов занимает один квант. состояние.

Приложения

Исследования в области физики конденсированного состояния привели к появлению нескольких приложений для устройств, таких как разработка полупроводниковых транзисторов, лазерных технологий, магнитных накопителей, жидких кристаллов, оптических волокон и ряда явлений, изучаемых в контексте нанотехнологий.: 111ff  Такие методы, как сканирование- туннельная микроскопия может использоваться для управления процессами в нанометровом масштабе и привела к изучению нанопроизводства. Такие молекулярные машины были разработаны, например, лауреатами Нобелевской премии по химии Беном Ферингой, Жан-Пьером Соважем и Фрейзером Стоддартом. Феринга и его команда разработали несколько молекулярных машин, таких как молекулярный автомобиль, молекулярная ветряная мельница и многие другие.

В квантовых вычислениях информация представлена ​​квантовыми битами, или кубитами. Кубиты могут быстро декогерировать до того, как будут завершены полезные вычисления. Эта серьезная проблема должна быть решена до того, как квантовые вычисления могут быть реализованы. Для решения этой проблемы в физике конденсированного состояния предлагается несколько многообещающих подходов, включая кубиты на основе джозефсоновского перехода, спинтронные кубиты, использующие ориентацию спина магнитных материалов, или топологические неабелевы анионы из дробных квантовых состояний эффекта Холла.

Физика конденсированного состояния имеет также важное применение в биомедицине, например экспериментальный метод магнитно-резонансной томографии, широко используемый в медицинской диагностике.