La fisica de la materia condensada es la rama de la fisica que estudia las caracteristicas fisicas macroscopicas de la materia , tales como la densidad , la temperatura , la dureza o el color de un material. En particular, se refiere a las fases ≪condensadas≫ que aparecen siempre en que el numero de constituyentes en un sistema sea extremadamente grande y que las interacciones entre los componentes sean fuertes, a diferencia de estar libres sin interactuar. Los ejemplos mas familiares de fases condensadas son los solidos y los liquidos , que surgen a partir de los enlaces y uniones causados por interacciones electromagneticas entre los atomos . Entre las fases condensadas mas exoticas se cuentan las fases superfluidas y el condensado de Bose-Einstein , que se encuentran en ciertos sistemas atomicos sometidos a temperaturas extremadamente bajas, la fase superconductora exhibida por los electrones de la conduccion en ciertos materiales, y las fases ferromagnetica y antiferromagnetica de espines en redes atomicas . La fisica de la materia condensada busca hacer relaciones entre las propiedades macroscopicas, que se pueden medir y el comportamiento de sus constituyentes a nivel microscopico o atomico y asi comprender mejor las propiedades de los materiales.

La fisica de la materia condensada es la rama mas extensa de la fisica contemporanea. Como estimacion, un tercio de todos los fisicos norteamericanos se identifica a si mismo como fisicos trabajando en temas de la materia condensada. Historicamente, dicho campo nacio a partir de la fisica del estado solido , que ahora es considerado como uno de sus subcampos principales. El termino fisica condensada de la materia fue acunado, al parecer, por Philip Anderson , cuando renombro a su grupo de investigacion, hasta entonces teoria del estado solido , en 1967. En 1978, la Division de Fisica del Estado Solido de la American Physical Society fue renombrada como Division de Fisica de Materia Condensada. La fisica de la materia condensada tiene una gran superposicion con areas de estudio de la quimica , la ciencia de materiales , la nanotecnologia y la ingenieria .

Una de las razones para que la fisica de materia condensada reciba tal nombre es que muchos de los conceptos y tecnicas desarrollados para estudiar solidos se aplican tambien a sistemas fluidos. Por ejemplo, los electrones de conduccion en un conductor electrico forman un tipo de liquido cuantico que tiene esencialmente las mismas caracteristicas que un fluido conformado por atomos . De hecho, el fenomeno de la superconductividad , en el cual los electrones se condensan en una nueva fase fluida en la cual puedan fluir sin disipacion, presenta una gran analogia con la fase superfluida que se encuentra en el helio-3 a muy bajas temperaturas.

Temas de fisica de materia condensada [ editar ]

• Fases :
  • Fases genericas: gas ; liquido ; solido .
  • Fases a baja temperatura: condensado de Bose-Einstein ; gas de Fermi ; liquido de Fermi ; condensado fermionico ; liquido de Luttinger ; superfluido ; compuestos de Fermiones ; supersolido .
  • Fenomenos de cambio de fase: parametro de orden ; transicion de fase ; curva de enfriamiento .

• Solidos cristalinos :
  • Tipos: aislante ; metal ; semiconductor ; semimetal ; cuasicristales .
  • Caracteristicas electronicas: band gap ; onda de Bloch ; banda de conduccion ; masa efectiva ; conduccion electrica ; hueco electronico ; banda de valencia .
  • Fenomenos electronicos: efecto Kondo ; plasmon ; efecto Hall cuantico ; superconductividad ; cristal de Wigner ; termoelectricidad .
  • Fenomenos de redes: antiferromagnetismo ; ferromagnetismo ; magnon ; fonon ; vidrio de espines ; defecto topologico .

• Materia blanda :
  • Tipos: solido amorfo ; materia granular ; cristal liquido ;
  • Sistemas de Nanoelectromecanica ( NEMS ).
  • Microscopia de fuerza de resonancia magnetica.
  • Transporte del calor en sistemas nanoscopicos.
  • Transporte de espin.

Historia de la fisica de la materia condensada [ editar ]

Fisica clasica [ editar ]

Uno de los primeros estudios sobre los estados condensados de la materia fue realizado por el quimico ingles Humphry Davy , en las primeras decadas del siglo  XIX . Davy observo que de los cuarenta elementos quimicos conocidos en ese momento, veintiseis tenian propiedades metalicas tales como lustre , ductilidad y alta conductividad electrica y termica. ^{[ 1 ]} ​ Esto indicaba que los atomos de la teoria atomica de John Dalton no eran indivisibles como afirmaba Dalton, sino que tenian estructura interna. Davy afirmo ademas que los elementos que entonces se creia que eran gases, como el nitrogeno y el hidrogeno , podian licuarse en las condiciones adecuadas y entonces se comportarian como metales. ^{[ 2 ]} ​{NoteTag|Tanto el hidrogeno como el nitrogeno se han licuado desde entonces; sin embargo, el nitrogeno y el hidrogeno liquidos ordinarios no poseen propiedades metalicas. Los fisicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron en 1935 ^{[ 3 ]} ​ que existe un estado hidrogeno metalico a presiones suficientemente altas (mas de 25 GPa ), pero todavia no se ha observado).

En 1823, Michael Faraday , entonces asistente en el laboratorio de Davy, licuo con exito el cloro y paso a licuar todos los elementos gaseosos conocidos, excepto el nitrogeno, el hidrogeno y el oxigeno . ^{[ 1 ]} ​ Poco despues, en 1869, el quimico irlandes estudio la transicion de fase de un liquido a un gas y acuno el termino punto critico para describir la condicion en la que un gas y un liquido eran indistinguibles como fases, ^{[ 4 ]} ​ y el fisico holandes aporto el marco teorico que permitio predecir el comportamiento critico basandose en mediciones a temperaturas mucho mas altas. ^{[ 5 ]} ​ ^: 35?38 Hacia 1908, James Dewar y Heike Kamerlingh Onnes lograron licuar con exito el hidrogeno y luego el recien descubierto helio , respectivamente. ^{[ 1 ]} ​

Paul Drude en 1900 propuso el primer modelo teorico para un clasica electron moviendose a traves de un solido metalico. ^{[ 6 ]} ​ El modelo de Drude describia las propiedades de los metales en terminos de un gas de electrones libres, y fue el primer modelo microscopico que explicaba observaciones empiricas como la ley de Wiedemann-Franz . ^{[ 7 ]} ​ ^{[ 8 ]} ​ Sin embargo, a pesar del exito del modelo de electrones libres de Drude, tenia un problema notable: era incapaz de explicar correctamente la contribucion electronica al calor especifico y a las propiedades magneticas de los metales, y la dependencia de la temperatura de la resistividad a bajas temperaturas. ^{[ 9 ]} ​

En 1911, tres anos despues de que se licuara el helio por primera vez, Onnes, que trabajaba en la Universidad de Leiden , descubrio la superconductividad en el mercurio , cuando observo que la resistividad electrica del mercurio desaparecia a temperaturas inferiores a un determinado valor. ^{[ 10 ]} ​ El fenomeno sorprendio por completo a los mejores fisicos teoricos de la epoca, y permanecio sin explicacion durante varias decadas. ^{[ 11 ]} ​ Albert Einstein , en 1922, dijo con respecto a las teorias contemporaneas de la superconductividad que "con nuestra profunda ignorancia de la mecanica cuantica de los sistemas compuestos estamos muy lejos de poder componer una teoria a partir de estas vagas ideas. " ^{[ 12 ]} ​

Avance de la mecanica cuantica [ editar ]

El modelo clasico de Drude fue aumentado por Wolfgang Pauli , Arnold Sommerfeld , Felix Bloch y otros fisicos. Pauli se dio cuenta de que los electrones libres en el metal debian obedecer la estadistica de Fermi-Dirac . Utilizando esta idea, desarrollo la teoria del paramagnetismo en 1926. Poco despues, Sommerfeld incorporo la estadistica de Fermi-Dirac al modelo de los electrones libres y lo mejoro para explicar la capacidad calorifica. Dos anos mas tarde, Bloch utilizo la mecanica cuantica para describir el movimiento de un electron en una red periodica. ^{[ 9 ]} ​ ^: 366?368 La matematica de las estructuras cristalinas desarrollada por Auguste Bravais , Yevgraf Fyodorov y otros se utilizo para clasificar los cristales por su grupo de simetria , y las tablas de estructuras cristalinas fueron la base de la serie Tablas Internacionales de Cristalografia , publicada por primera vez en 1935. ^{[ 13 ]} ​ La Calculo de la estructura de bandas se utilizo 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 , lo que supuso una revolucion en la electronica. ^{[ 6 ]} ​

En 1879, Edwin Herbert Hall trabajando en la Universidad Johns Hopkins descubrio un voltaje desarrollado a traves de conductores transversales a una corriente electrica en el conductor y un campo magnetico perpendicular a la corriente. ^{[ 14 ]} ​ Este fenomeno que surge debido a la naturaleza de los portadores de carga en el conductor llego a denominarse efecto Hall , pero no se explico adecuadamente en su momento, ya que el electron no se descubrio experimentalmente hasta 18 anos despues. Tras la llegada de la mecanica cuantica, Lev Landau desarrollo en 1930 la teoria de la cuantizacion de Landau y sento las bases para la explicacion teorica del efecto Hall cuantico descubierto medio siglo despues. ^{[ 15 ]} ​ ^{: 458?460  [ 16 ]} ​

El magnetismo como propiedad de la materia se conoce en China desde el ano 4000 a. C. ^{[ 17 ]} ​ ^: 1?2 Sin embargo, los primeros estudios modernos sobre el magnetismo no se iniciaron hasta el desarrollo de la electrodinamica por parte de Faraday, Maxwell y otros en el siglo  XIX , que incluia la clasificacion de los materiales en ferromagneticos , paramagneticos y diamagneticos en funcion de su respuesta a la magnetizacion . ^{[ 18 ]} ​ Pierre Curie estudio la dependencia de la magnetizacion con la temperatura y descubrio la transicion de fase punto Curie en los materiales ferromagneticos. ^{[ 17 ]} ​ En 1906, Pierre Weiss introdujo el concepto de dominio magnetico para explicar las principales propiedades de los ferromagnetos. ^{[ 19 ]} ​ ^: 9 El primer intento de descripcion microscopica del magnetismo fue realizado por Wilhelm Lenz y Ernst Ising a traves del modelo de Ising que describia los materiales magneticos como si consistieran en una red periodica de espines que adquirian colectivamente magnetizacion. ^{[ 17 ]} ​ El modelo de Ising fue resuelto con exactitud para demostrar que la magnetizacion espontanea no puede producirse en una dimension pero es posible en redes de dimensiones superiores. Investigaciones posteriores como las de Bloch sobre ondas de espin y Neel sobre antiferromagnetismo llevaron a desarrollar nuevos materiales magneticos con aplicaciones a dispositivos de almacenamiento magnetico . ^{[ 17 ]} ​ ^{: 36?38, g48}

Fisica moderna de muchos cuerpos [ editar ]

El modelo de Sommerfeld y los modelos de espin para el ferromagnetismo ilustraron la aplicacion exitosa de la mecanica cuantica a los problemas de la materia condensada en la decada de 1930. Sin embargo, aun quedaban varios problemas sin resolver, sobre todo la descripcion de la superconductividad y el efecto Kondo . ^{[ 21 ]} ​ Despues de la Segunda Guerra Mundial , se aplicaron varias ideas de la teoria cuantica de campos a problemas de materia condensada. Entre ellas, el reconocimiento de los modos de excitacion colectiva de los solidos y la importante nocion de cuasiparticula. El fisico ruso Lev Landau utilizo la idea para la teoria del liquido de Fermi , en la que las propiedades de baja energia de los sistemas de fermiones que interactuan se daban en terminos de lo que ahora se denomina cuasiparticulas de Landau. ^{[ 21 ]} ​ Landau tambien desarrollo una teoria de campo medio para las transiciones de fase continuas, que describia las fases ordenadas como ruptura espontanea de la simetria . La teoria tambien introdujo la nocion de un parametro de orden para distinguir entre fases ordenadas. ^{[ 22 ]} ​ Finalmente, en 1956, John Bardeen , Leon Cooper y John Schrieffer desarrollaron la llamada teoria BCS de la superconductividad, basada en el descubrimiento de que una atraccion arbitrariamente pequena entre dos electrones de espin opuesto mediada por fonones en la red puede dar lugar a un estado ligado llamado par de Cooper .

El estudio de las transiciones de fase y el comportamiento critico de los observables, denominados fenomenos criticos , fue un importante campo de interes en la decada de 1960. ^{[ 24 ]} ​ Leo Kadanoff , Benjamin Widom y Michael Fisher desarrollaron las ideas del exponente criticos y del escalamiento de widom . Estas ideas fueron unificadas por Kenneth G. Wilson en 1972, bajo el formalismo del grupo de renormalizacion en el contexto de la teoria cuantica de campos. ^{[ 24 ]} ​

El efecto Hall cuantico fue descubierto por Klaus von Klitzing , Dorda y Pepper en 1980 cuando observaron que la conductancia Hall era multiplo entero de una constante fundamental ${\displaystyle e^{2}/h}$. (ver figura) Se observo que el efecto era independiente de parametros como el tamano del sistema y las impurezas. ^{[ 23 ]} ​ En 1981, el teorico Robert Laughlin propuso una teoria que explicaba la precision no prevista de la meseta integral. Tambien implico que la conductancia de Hall es proporcional a un invariante topologico, llamado numero de Chern , cuya relevancia para la estructura de bandas de los solidos fue formulada por David J. Thouless y colaboradores. ^{[ 25 ]} ​ ^{[ 26 ]} ​ Poco despues, en 1982, Horst Stormer y Daniel Tsui observaron el efecto Hall cuantico fraccionario donde la conductancia era ahora un multiplo racional de la constante ${\displaystyle e^{2}/h}$. Laughlin, en 1983, se dio cuenta de que esto era una consecuencia de la interaccion de cuasiparticulas en los estados Hall y formulo una solucion por metodo variacional , denominada funcion de onda de Laughlin . ^{[ 27 ]} ​ El estudio de las propiedades topologicas del efecto Hall fraccionario sigue siendo un campo de investigacion activo. ^{[ 28 ]} ​ Decadas mas tarde, la mencionada teoria de bandas topologicas avanzada por David J. Thouless y colaboradores ^{[ 29 ]} ​ se amplio aun mas llevando al descubrimiento de los aislantes topologicos . ^{[ 30 ]} ​ ^{[ 31 ]} ​

En 1986, Karl Muller y Karl Alexander Muller descubrieron el primer superconductor de alta temperatura, un material superconductor a temperaturas de hasta 50 kelvin. Se observo que los superconductores de alta temperatura son ejemplos de materiales fuertemente correlacionados en los que las interacciones electron-electron juegan un papel importante. ^{[ 32 ]} ​ Todavia no se conoce una descripcion teorica satisfactoria de los superconductores de alta temperatura y el campo de material fuertemente correlacionado sigue siendo un tema de investigacion activo.

En 2009, David Field e investigadores de la Universidad de Aarhus descubrieron campos electricos espontaneos al crear pelicula prosaicas ^{[ aclaracion requerida ]} de varios gases. Esto se ha ampliado mas recientemente para formar el area de investigacion de la espontelectricidad . ^{[ 33 ]} ​

En 2012, varios grupos publicaron preprints que sugieren que Hexaboruro de samario tiene las propiedades de un aislante topologico ^{[ 34 ]} ​ de acuerdo con las predicciones teoricas anteriores. ^{[ 35 ]} ​ Dado que el hexaboruro de samario es un aislante Kondo establecido, es decir, un material de electrones fuertemente correlacionados, se espera que la existencia de un estado topologico de superficie de Dirac en este material conduzca a un aislante topologico con fuertes correlaciones electronicas.

Referencias [ editar ]

Vease tambien [ editar ]

• Fisica del estado solido