Kondensoituneen aineen fysiikka

Kondensoidun aineen fysiikka ( englanniksi  kondensoidun aineen fysiikka ) on fysiikan ala, joka tutkii aineen (aineen) makroskooppisia ja mikroskooppisia ominaisuuksia. Tämä koskee erityisesti "tiivistyneitä" faaseja, jotka ilmaantuvat aina, kun järjestelmän aineen muodostavien komponenttien (atomien, molekyylien, kvasihiukkasten ) lukumäärä on erittäin suuri ja komponenttien väliset vuorovaikutukset ovat voimakkaita. Tunnetuimpia esimerkkejä kondensoituneista faaseista ovat kiinteät aineet ja nesteet, jotka syntyvät atomien välisestä vuorovaikutuksesta. Kondensoituneen aineen fysiikka pyrkii ymmärtämään ja ennustamaan näiden vaiheiden käyttäytymistä fysikaalisia lakeja käyttäen . Ne sisältävät erityisesti kvanttimekaniikan , sähkömagnetismin ja tilastomekaniikan lait .

Kiinteiden ja nestemäisten faasien lisäksi on olemassa eksoottisempia kondensoituneita faaseja, kuten suprajohtava faasi, jota löytyy joistakin materiaaleista alhaisessa lämpötilassa , ferromagneettisia ja antiferromagneettisia faaseja, jotka koostuvat kidehilojen atomien elektronispineistä ja Bose - faasista . -Einstein-kondensaatti , löydetty ultrakylmistä atomijärjestelmistä. Kondensoituneen aineen fysiikan tutkimukseen kuuluu erilaisten materiaalien ominaisuuksien mittaaminen kokeellisilla koettimilla sekä teoreettisten fysiikan menetelmien käyttö matemaattisten mallien kehittämiseen , jotka auttavat ymmärtämään järjestelmien fyysistä käyttäytymistä .

Fysiikan eri aloja, kuten kristallografiaa , metallurgiaa , kimmoteoriaa , magnetismia ja niin edelleen, käsiteltiin erillisinä aloina aina 1940-luvulle saakka, jolloin ne ryhmiteltiin yhteen kiinteän olomuodon fysiikan nimellä . 1960-luvun tienoilla tähän listaan ​​lisättiin nesteiden fysikaalisten ominaisuuksien tutkimus, ja tätä fysiikan alaa alettiin kutsua kondensoituneen aineen fysiikaksi [1] .

Otsikko, tavoitteet ja tavoitteet

1960-luvun tienoilla erilaisia ​​kiinteän olomuodon fysiikan ja nesteiden fysikaalisille ominaisuuksille omistettuja osioita alettiin erottaa suureksi osaksi kondensoituneiden aineiden fysiikkaa yleisten teoreettisten lähestymistapojen leviämisen vuoksi [2] . Fyysikko Philip Warren Andersonin mukaan termi tuli suosituksi Yhdysvalloissa, kun hän muutti ryhmänsä nimen Cavendish Laboratoriesissa kiinteän olomuodon teoriasta kondensoituneen aineen teoriaksi vuonna 1967 [3] [4] , koska he uskoivat, että se ei ollut sulkee pois heidän kiinnostuksensa nesteiden ja ydinaineen tutkimukseen [5] . Nimi "kondensoitu aine" on ollut Euroopassa useiden vuosien ajan, erityisesti Springer-Verlagin englanniksi, ranskaksi ja saksaksi julkaisemana lehden muodossa " Physics of Condensed Matter " vuodesta 1963 [6] . 1960- ja 1970-luvun rahoitusehdot ja kylmän sodan politiikka olivat myös tekijöitä, jotka saivat jotkut fyysikot suosimaan nimeä "tiivistyneen aineen fysiikka", joka korosti yleisiä tieteellisiä ongelmia, joita fyysikot kohtaavat tutkiessaan kiinteitä aineita, nesteitä ja muita monimutkaisia ​​aineita. "kiinteän olomuodon fysiikkaan", joka liittyy usein metallien ja puolijohteiden teolliseen käyttöön [7] . Bell Telephone Laboratories oli yksi ensimmäisistä instituuteista, joka toteutti tutkimusohjelman kondensoituneen aineen fysiikan alalla [8] .

Viittaukset "tiivistettyyn" tilaan voidaan jäljittää aikaisempiin lähteisiin. Esimerkiksi vuoden 1943 kirjansa The Kinetic Theory of Liquids johdannossa Yakov Frenkel ehdotti, että "nesteiden kineettisen teorian tulisi olla kiinteiden aineiden kineettisen teorian yleistys ja laajennus. Itse asiassa olisi oikeampaa yhdistää ne yhteen tiivistyneiden kappaleiden nimeen” [9] .

Tutkittavaksi saatavilla olevien järjestelmien ja ilmiöiden moninaisuus tekee kondensoituneen aineen fysiikasta modernin fysiikan aktiivisimman alan: kolmasosa kaikista amerikkalaisista fyysikoista pitää itseään kondensoidun aineen fyysikoiden [10] , ja Division of Condensed Matter Physics  on maailman suurin osasto. American Physical Society [11] . Ala liittyy läheisesti kemiaan , materiaalitieteeseen ja nanoteknologiaan sekä atomifysiikkaan ja biofysiikkaan . Teoreettinen kondensoituneen aineen fysiikka käyttää tärkeitä alkeishiukkasfysiikan ja ydinfysiikan käsitteitä ja menetelmiä [12] . Aineen tiivistyneen olomuodon fysiikassa kvasihiukkasten käsite väliaineen alkeisherätteinä on keskeisellä sijalla. Siksi he pitävät myös vaihtoehtoista määritelmää aineen tiivistyneelle olomuodolle "hiukkasten joukoksi, jonka tilavuus tietyissä ulkoisissa olosuhteissa määräytyy yksinomaan hiukkasten välisten vuorovaikutusvoimien avulla" [13] .

Kondensoituneen aineen fysiikan kiinnostuksen kohteiden laajuus viittaa siihen, että sen tehtävänä on selittää koko materiaalimaailma ympärillä, eli löytää selitys kiinteiden aineiden ja nesteiden rakenteellisille ja elektronisille ominaisuuksille [14] . Teoria on välttämätön, jotta voidaan paljastaa yhteys mikroskooppisten mallien ja tutkittujen ilmiöiden makroskooppisten ilmenemismuotojen välillä tiivistetyssä väliaineessa [15] . Walter Kohn , yksi kiinteiden aineiden kvanttimekaanisten laskelmien teorian luojista, sanoi 1990-luvun lopulla [2] :

Tämän vuosisadan aikana kondensoituneen aineen fysiikka on käynyt läpi mahtavan kehityksen, usein vallankumouksellisesti kolmella toisiinsa liittyvällä alueella: uudet kokeelliset löydöt ja mittausmenetelmät; materiaalien koostumuksen ja atomikokoonpanon valvonta; uusia teoreettisia käsitteitä ja menetelmiä. Lyhyesti ja selkeästi tämä kehitys on äärimmäisen vaikeaa PCS:n poikkeuksellisen monimuotoisuuden ja monien suhteiden vuoksi.

Alkuperäinen teksti  (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Tämän vuosisadan aikana kondensoidun aineen fysiikka on kehittynyt näyttävästi, usein vallankumouksellisilla askelilla, kolmessa toisiinsa kietoutuvassa suhteessa: uudet kokeelliset löydöt ja mittaustekniikat; materiaalien koostumusten ja atomikonfiguraatioiden ohjaus; sekä uusia teoreettisia käsitteitä ja tekniikoita. Lyhyen ja luettavan kuvauksen antaminen tästä kehityksestä on äärimmäisen vaikeaa CMP:n poikkeuksellisen monimuotoisuuden ja monien keskinäisten yhteyksien vuoksi.

Historia

Klassinen fysiikka

Yksi ensimmäisistä aineen tiivistyneen olomuodon tutkijoista oli englantilainen kemisti Humphrey Davy , joka työskenteli 1800-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä. Davy huomasi, että tuolloin tunnetuista neljästäkymmenestä kemiallisesta alkuaineesta 26:lla oli metallisia ominaisuuksia, kuten kiilto , plastisuus ja korkea sähkön- ja lämmönjohtavuus [16] . Tämä osoitti, että John Daltonin atomiteorian atomit eivät olleet jakamattomia, kuten tiedemies väitti, vaan niillä oli sisäinen rakenne. Davy väitti myös, että alkuaineet, joita pidettiin silloin kaasuina, kuten typpi ja vety , voidaan nesteyttää sopivissa olosuhteissa ja sitten käyttäytyä kuten metallit [17] [18] [K 1] .

Vuonna 1823 Michael Faraday , silloinen assistentti Davyn laboratoriossa, nesteytti onnistuneesti kloorin ja alkoi nesteyttää kaikkia tunnettuja kaasumaisia ​​alkuaineita paitsi typpeä, vetyä ja happea [16] . Pian sen jälkeen, vuonna 1869, irlantilainen kemisti Thomas Andrews tutki faasisiirtymää nesteestä kaasuun ja loi termin kriittinen piste kuvaamaan tilaa, jossa kaasua ja nestettä ei voida erottaa faaseina [19] , ja hollantilainen fyysikko Johannes van der Waals . otti käyttöön teoreettisen perustan, joka mahdollisti kriittisen käyttäytymisen ennustamisen perustuen mittauksiin paljon korkeammissa lämpötiloissa [20] :35–38 . Vuoteen 1908 mennessä James Dewar ja Heike Kamerling-Onnes nesteyttivät menestyksekkäästi vetyä ja äskettäin löydettyä kaasua, heliumia [21] .

Paul Drude ehdotti vuonna 1900 ensimmäistä teoreettista mallia metallissa liikkuvalle klassiselle elektronille [12] . Druden malli kuvasi metallien ominaisuuksia vapaiden elektronien kaasuna ja oli ensimmäinen mikroskooppinen malli, joka selitti empiirisiä havaintoja, kuten Wiedemann-Franzin lakia [22] [23] :27–29 . Huolimatta Druden vapaiden elektronien mallin menestyksestä, sillä oli kuitenkin yksi huomattava ongelma: se ei pystynyt oikein selittämään elektronisten osuutta ominaislämpöön , metallien magneettisia ominaisuuksia ja resistiivisyyden lämpötilariippuvuutta alhaisissa lämpötiloissa [24] : 366-368 .

Vuonna 1911, kolme vuotta heliumin ensimmäisen nesteyttämisen jälkeen, Leidenin yliopistossa työskentelevä Onnes havaitsi elohopean suprajohtavuuden , kun hän havaitsi kuinka sen sähköinen resistanssi katosi tietyn arvon alapuolella [25] . Tämä ilmiö yllätti tuon ajan parhaat teoreettiset fyysikot, se pysyi selittämättömänä useita vuosikymmeniä [26] . Albert Einstein sanoi vuonna 1922 nykyaikaisten suprajohtavuusteorioiden osalta, että "kaukaisen tietämättömyyden vuoksi komposiittijärjestelmien kvanttimekaniikasta olemme hyvin kaukana kyvystämme muodostaa teoriaa näistä epämääräisistä ideoista" [27] .

Kvanttimekaniikan tulo

Klassista Drude-mallia laajensivat Wolfgang Pauli , Arnold Sommerfeld , Felix Bloch ja muut fyysikot. Pauli ymmärsi, että metallissa olevien vapaiden elektronien on noudatettava Fermi-Diracin tilastoja . Tätä ideaa käyttäen hän kehitti elektronikaasun paramagnetismin teorian vuonna 1926. Pian tämän jälkeen Sommerfeld sisällytti Fermi-Dirac-tilastot vapaiden elektronien malliin ja sai tarkemman selityksen lämpökapasiteetista. Kaksi vuotta myöhemmin Bloch käytti kvanttimekaniikkaa kuvaamaan elektronin liikettä jaksollisessa hilassa [24] :366–368 . Auguste Bravaisin , Evgraf Fedorovin ja muiden kehittämää kiderakenteiden matematiikkaa käytettiin kiteiden luokitteluun niiden symmetriaryhmien mukaan, ja kiderakennetaulukot olivat perustana kansainväliselle kristallitaulukoille -kokoelmalle , joka julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1935. Kaistan rakennelaskelmia käytettiin ensimmäisen kerran vuonna 1930 uusien materiaalien ominaisuuksien ennustamiseen, ja vuonna 1947 John Bardeen , Walter Brattain ja William Shockley kehittivät ensimmäisen puolijohdetransistorin , joka ennusti elektroniikan vallankumousta [12] .

Vuonna 1879 Johns Hopkinsin yliopistossa työskennellyt Edwin Herbert Hall löysi jännitteen, joka esiintyy johtimissa suunnassa, joka on poikittainen sekä sähkövirran että virran suhteen kohtisuorassa magneettikentässä [28] . Tätä ilmiötä johtimen varauksenkuljettajien luonteesta johtuen kutsuttiin Hall -ilmiöksi , mutta sitä ei tuolloin kunnolla selitetty, koska elektroni löydettiin kokeellisesti vasta 18 vuotta myöhemmin. Kvanttimekaniikan myötä Lev Landau kehitti Landaun kvantisointiteorian vuonna 1930 ja loi perustan puoli vuosisataa myöhemmin löydetyn kvanttimekaniikan teorialle [29] :458–460 [30] .

Magnetismi aineen ominaisuutena on tunnettu Kiinassa vuodesta 4000 eKr. e. [31] :1–2 Ensimmäiset modernit magnetismin tutkimukset alkoivat kuitenkin vasta, kun Faraday, Maxwell ja muut 1800-luvulla kehittivät sähködynamiikan , joka sisälsi materiaalien luokittelun ferromagneettisiksi , paramagneettisiksi ja diamagneettisiksi niiden perusteella. vaste magneettikenttään [32] . Pierre Curie tutki magnetisaation riippuvuutta lämpötilasta ja löysi pistefaasimuutoksen hänen mukaansa nimetyistä ferromagneettisista materiaaleista. Vuonna 1906 Pierre Weiss esitteli magneettisten domeenien käsitteen selittääkseen ferromagneettien perusominaisuudet [33] :9 . Ensimmäisen yrityksen magnetismin mikroskooppiseen kuvaamiseen tekivät Wilhelm Lenz ja Ernst Ising käyttämällä Ising-mallia , joka kuvaili magneettisten materiaalien koostuvan jaksoittaisesta spinien hilasta, jotka yhdessä magnetisoituivat. Ising-mallin tarkat ratkaisut osoittivat, että spontaani magnetoituminen ei voi tapahtua yhdessä ulottuvuudessa, mutta se on mahdollista moniulotteisissa hilassa. Lisätutkimukset, erityisesti Blochin spin-aaltoja ja Neelin antiferromagnetismia koskevat työt , johtivat uusien magneettisten materiaalien kehittämiseen muistiin magneettisilla tietovälineillä [31] :36–38,g48 .

Moderni monikehofysiikka

Sommerfeld-malli ja ferromagnetismin spin-mallit kuvaavat kvanttimekaniikan onnistunutta soveltamista kondensoituneen aineen ongelmiin 1930-luvulla. Vielä oli kuitenkin useita ratkaisemattomia ongelmia, erityisesti suprajohtavuuden ja Kondo-ilmiön kuvaus [35] . Toisen maailmansodan jälkeen useita kvanttikenttäteorian ideoita sovellettiin kondensoituneen aineen ongelmiin. Näihin kuului kollektiivisten viritysmuotojen löytäminen kvasihiukkasiksi kutsutuista kiinteistä aineista . Venäläinen fyysikko Lev Landau käytti luomaansa ideaa Fermi -nesteteoriasta, jossa vuorovaikutuksessa olevien fermionisten järjestelmien matalaenergiaominaisuudet annettiin Landau-kvasihiukkasten muodossa. Landau kehitti myös jatkuville faasisiirtymille keskikenttäteorian , jossa järjestetyt vaiheet kuvataan spontaaniksi symmetrian rikkomiseksi . Teoria esitteli myös järjestysparametrin käsitteen tilattujen vaiheiden erottamiseksi toisistaan. Tämän seurauksena John Bardeen , Leon Cooper ja John Schrieffer kehittivät vuonna 1965 niin kutsutun BCS - suprajohtavuusteorian, joka perustuu havaintoon, että mielivaltaisen pieni vetovoima kahden vastakkaisen spinin omaavan elektronin välillä hilafononien kuljettamana voi johtaa sidotun tilan ilmaantuminen nimeltä Cooper-pari [36] .

Vaihemuutoksen ja parametrien kriittisen käyttäytymisen, joita kutsutaan kriittisiksi ilmiöiksi , tutkiminen oli 1960-luvulla tärkeä kiinnostuksen kohde [38] . Leo Kadanov , Benjamin Widom ja Michael Fisher kehittivät Widomin ajatuksia kriittisistä eksponenteista ja skaalausasteesta. Kenneth G. Wilson yhdisti nämä ideat vuonna 1972 kvanttikenttäteorian yhteydessä uudelleennormalisointiryhmäformalismin yhteydessä [39] . Renormalisointiryhmä on muotoiltu ns. Kadanoff-mekanismin yhteydessä, mikä vastaa mahdollisuutta kuvailla vastaavasti faasisiirtymäkohdan läheisyydessä olevan makroskooppisen näytteen ominaisuuksia käyttämällä sarjaa erilaisia ​​mikroskooppisia malleja, jotka on kytketty toisiinsa muuntamalla. "alkeis" mikroskooppisen asteikon (esimerkiksi kidehilavakion) arvon muutos samanaikaisen sopivan vuorovaikutusvakioiden muutoksen kanssa [40] .

Klaus von Klitzing löysi kvantti-Hall-ilmiön vuonna 1980, kun hän havaitsi, että Hallin johtavuus kaksiulotteisessa johtavassa järjestelmässä on perusvakion kokonaislukukerrannainen (katso kuva). Vaikutus ei riipu sellaisista parametreista kuin järjestelmän koosta ja epäpuhtauksien läsnäolosta [37] . Vuonna 1981 Robert Laughlin ehdotti teoriaa selittääkseen Hallin tasankojen odottamattoman tarkkuuden. Se merkitsi, että Hallin johtavuus voidaan karakterisoida topologisella invariantilla, jota kutsutaan Zheng-luvuksi [41] :69, 74 . Pian tämän jälkeen, vuonna 1982, Horst Stormer ja Daniel Tsui havaitsivat murto-osan kvantti Hall-ilmiön , jossa johtavuus oli vakion rationaalinen kerrannainen . Laughlin tajusi vuonna 1983, että tämä on seurausta kvasihiukkasten vuorovaikutuksesta Hall-tiloissa ja löysi ratkaisun variaatiomenetelmällä , jota myöhemmin kutsuttiin Laughlin-aaltofunktioksi [42] .

Vuonna 1986 Karl Müller ja Johannes Bednorz löysivät ensimmäisen korkean lämpötilan suprajohteen  , materiaalin, joka oli suprajohtava jopa 50 Kelvinin lämpötiloissa . Kävi ilmi, että korkean lämpötilan suprajohteet ovat esimerkkejä vahvasti korreloivista materiaaleista, joissa elektroni-elektroni-vuorovaikutuksella on tärkeä rooli [43] .

Teoria

Kondensoituneen aineen teoreettiseen fysiikkaan kuuluu teoreettisten mallien käyttö aineen tilojen ominaisuuksien ymmärtämiseksi. Näitä ovat kiinteiden aineiden elektronisten ominaisuuksien tutkimiseen käytettävät mallit, kuten Drude-malli , kaistateoria ja tiheysfunktionaalisten ominaisuuksien teoria . Vaihemuutosten fysiikan tutkimiseen on kehitetty myös teoreettisia malleja , kuten Ginzburg–Landau-teoriaa , kriittisiä eksponenteja sekä kvanttikenttäteorian ja renormalisointiryhmän matemaattisten menetelmien käyttöä . Nykyaikainen teoreettinen tutkimus sisältää elektroniikkarakenteen numeeristen laskelmien ja matemaattisten työkalujen käytön sellaisten ilmiöiden ymmärtämiseksi kuin korkean lämpötilan suprajohtavuus , topologiset vaiheet ja mittarisymmetriat [44] [45] [46] .

Symmetria ja sen rikkominen

Symmetria on tärkeä näkökohta missä tahansa fysikaalisessa teoriassa ja usein jopa tietämättä yksityiskohtaista kuvaa ilmiöstä, sen avulla voimme tehdä rakentavia johtopäätöksiä. Suurin osa fysiikan tarkoista väittämistä seuraa järjestelmän symmetriaominaisuuksista [47] . Yleinen esimerkki ovat kiinteiden aineiden kristallografiset pistesymmetriaryhmät ja niiden suhde elektronisen kaistan rakenteeseen [48] .

Joissakin aineen olomuodoissa havaitaan symmetrian rikkoutumista , kun vastaavat fysiikan lait ovat rikkoneet symmetrian . Tyypillinen esimerkki on kiteiset kiinteät aineet , jotka rikkovat jatkuvan translaatiosymmetrian . Muita esimerkkejä ovat magnetoidut ferromagneetit , jotka rikkovat pyörimissymmetrian , ja eksoottisemmat tilat, kuten BCS-suprajohteen perustila , joka rikkoo U (1) -kiertosymmetrian [49] [50] .

Kvanttikenttäteorian Goldstonen teoreema sanoo , että systeemissä, jossa on katkennut jatkuva symmetria, voi esiintyä mielivaltaisen alhaisen energian herätteitä, joita kutsutaan Goldstonen bosoneiksi . Esimerkiksi kiteisissä kiinteissä aineissa ne vastaavat fononeja , jotka ovat kvantisoituja versioita kidehilan värähtelyistä [51] .

Kiinteiden aineiden elektroninen teoria

Historiallisesti metallitila on ollut tärkeä rakennuspalikka kiinteiden aineiden ominaisuuksien tutkimisessa. Ensimmäisen teoreettisen kuvauksen metalleista antoi Paul Drude vuonna 1900 Druden mallilla , joka selitti sähköiset ja termiset ominaisuudet kuvailemalla metallia ihanteellisena kaasuna vasta löydetyille elektroneille . Hän pystyi johtamaan empiirisen Wiedemann-Franzin lain ja saamaan tuloksia, jotka ovat läheisessä sopusoinnussa kokeiden kanssa [23] :90–91 . Arnold Sommerfeld paransi tätä klassista mallia sisällyttämällä siihen elektronitilastot ja pystyi selittämään metallien ominaislämmön epänormaalin käyttäytymisen Wiedemann-Franzin laissa [23] :101–103 . Vuonna 1912 Max von Laue ja Paul Knipping tutkivat kiteisten kiinteiden aineiden rakennetta, kun he havaitsivat kiteiden röntgenkuvion ja päättelivät, että kiteillä on atomirakenne jaksollisten hilan muodossa [23] :48 [52] . Vuonna 1928 sveitsiläinen fyysikko Felix Bloch esitti ratkaisun Schrödingerin yhtälölle jaksollisella potentiaalilla , nimeltään Bloch-aalto [53] .

Metallien elektronisten ominaisuuksien määrittäminen monihiukkasaaltofunktion avulla on yleensä laskennallisesti vaikea tehtävä, ja siksi on käytettävä likimääräisiä menetelmiä mielekkäiden ennusteiden tekemiseen [54] . 1920-luvulla kehitettyä Thomas-Fermin teoriaa käytettiin arvioimaan järjestelmän energiaa ja elektronitiheyttä käsittelemällä paikallista elektronitiheyttä variaatioparametrina . Myöhemmin, 1930-luvulla, Douglas Hartree , Vladimir Fock ja John Slater kehittivät niin sanotun Hartree-Fock-menetelmän Thomas-Fermin mallin parantamiseksi. Hartree-Fock-menetelmässä on otettu huomioon yksipartikkelisten elektroniaaltofunktioiden vaihtotilastot . Yleensä Hartree-Fockin yhtälön ratkaiseminen on erittäin vaikeaa. Vain vapaan elektronikaasun tapauksessa on tarkka ratkaisu [55] :330–337 . Lopulta vuosina 1964-65 Walter Cohn , Pierre Hohenberg ja Lou Je Cham ehdottivat tiheysfunktionaalista teoriaa , joka antoi realistiset kuvaukset metallien bulkki- ja pintaominaisuuksista. Tiheysfunktionaalista teoriaa on käytetty laajalti 1970-luvulta lähtien erilaisten kiinteiden aineiden kaistarakenteen laskemiseen [54] . Elektroni-elektroni-vuorovaikutuksen monihiukkasvaikutusten tutkimiseen, paremmin yhteensopivuuteen puolijohteiden kiellettyjen kaistojen ja virittyneiden tilojen kokeen kanssa, käytetään monihiukkasten Greenin funktioiden menetelmiä ja sen approksimaatioita, esimerkiksi GW-approksimaatiota [56 ] , Bethe-Salpeterin yhtälö [57] .

Kasvavat laskentaominaisuudet ja edistyminen numeerisissa menetelmissä, joita koneoppimisalgoritmit houkuttelevat yhä enemmän , mahdollistavat siirtymisen kokeellisesta uusien materiaalien löytämismenetelmästä uusien yhdisteiden rakenteellisten ja muiden ominaisuuksien ennustamiseen, erityisesti uusia tietokantoja luodaan. miljoonille kemiallisille yhdisteille ja kiteille: Materials Project [58] , Open Quantum Materials Database [59] , Automatic Flow for Materials Discovery [60] ; ja kaksiulotteiset materiaalit: C2DB [61] , 2DMatPedia [62] . Nykyaikaisille ilmaisille ja kaupallisille paketeille elektronisen rakenteen laskemiseen ensimmäisistä periaatteista on ominaista rinnakkaislaskenta , jota käytetään näytönohjainprosessoreissa . Yleisimmin käytettyjä ohjelmia ovat Abinit [63] , VASP [64] , WIEN2k [65] , Quantum ESPRESSO [66] .

Vaiheen muutos

Vaiheenmuutos viittaa järjestelmän vaiheen muutokseen, joka johtuu ulkoisen parametrin, kuten lämpötilan , muutoksesta . Klassinen faasimuutos tapahtuu äärellisessä lämpötilassa, kun järjestelmän järjestys tuhoutuu. Esimerkiksi kun jää sulaa ja muuttuu vedeksi, järjestynyt kiderakenne tuhoutuu. Kvanttifaasisiirtymien lämpötila on absoluuttisessa nollassa ja ne käyttävät ei-termisiä parametreja ohjaamaan vaihemuutosta, kuten painetta tai magneettikenttää, kun järjestystä tuhoavat Heisenbergin epävarmuusperiaatteesta johtuvat kvanttivaihtelut . Tässä järjestelmän eri kvanttivaiheet viittaavat Hamiltonin matriisin erilaisiin perustiloihin. Kvanttifaasisiirtymän käyttäytymisen ymmärtäminen on tärkeää monimutkaisissa ongelmissa, jotka liittyvät harvinaisten maametallien magneettisten eristeiden, korkean lämpötilan suprajohteiden ja muiden aineiden ominaisuuksien selittämiseen [67] .

Vaihesiirtymiä on kaksi luokkaa: ensimmäisen asteen siirtymät ja toisen asteen tai jatkuvat siirtymät . Jatkuvaa siirtymää varten kyseiset kaksi vaihetta eivät ole rinnakkain siirtymälämpötilassa, jota kutsutaan myös kriittiseksi pisteeksi . Lähellä kriittistä pistettä järjestelmät käyvät läpi kriittistä käyttäytymistä, jossa jotkin niiden ominaisuudet, kuten korrelaatiopituus, ominaislämpö ja magneettinen suskeptibiliteetti , poikkeavat eksponentiaalisesti [67] . Nämä kriittiset ilmiöt muodostavat vakavan ongelman fyysikoille, koska tavanomaiset makroskooppiset lait eivät enää päde tällä alueella, ja uusia ideoita ja menetelmiä täytyy syntyä järjestelmää kuvaavien lakien löytämiseksi [68] :75 .

Yksinkertaisin teoria, joka voi kuvata jatkuvia vaihemuutoksia, on Ginzburg-Landau teoria , joka toimii ns. keskikentän approksimaatiossa . Se selittää kuitenkin vain suunnilleen jatkuvan faasisiirtymän ferrosähköisille ja tyypin I suprajohtimille, joihin liittyy mikroskooppisia vuorovaikutuksia suurilla etäisyyksillä. Muuntyyppisille järjestelmille, jotka sisältävät läheistä vuorovaikutusta lähellä kriittistä pistettä, tarvitaan parannettu teoria [69] :8–11 .

Lähellä kriittistä pistettä esiintyy vaihteluita laajalla skaalalla, kun taas koko järjestelmän ominaisuus on asteikkoinvariantti. Renormalisointiryhmämenetelmät laskevat johdonmukaisesti lyhyimpien värähtelyjen keskiarvoa vaiheittain ja säästävät niiden vaikutuksen seuraavaan vaiheeseen. Näin on mahdollista tutkia systemaattisesti fyysisen järjestelmän muutoksia eri mittakaavassa. Nämä menetelmät yhdessä tehokkaiden tietokonesimulaatioiden kanssa antavat suuren panoksen jatkuviin faasisiirtymiin liittyvien kriittisten ilmiöiden selittämiseen [68] :11 .

Kokeile

Kokeellinen kondensoituneiden aineiden fysiikka sisältää kokeellisten menetelmien ja instrumenttien käytön materiaalien uusien ominaisuuksien löytämiseksi ja selittämiseksi. Tällaiset instrumentit mittaavat sähkö- ja magneettikenttien vaikutuksia , vasteen muutosfunktioita , kuljetusominaisuuksia ja lämpömittaria [70] . Yleisesti käytettyjä kokeellisia tekniikoita ovat spektroskopia ilmaisimilla röntgensäteitä , infrapunasäteilyä ja joustamatonta neutronien sirontaa varten; lämpövasteen tutkimus käyttämällä ominaislämpökapasiteettia ja lämmönsiirron ja lämmönjohtavuuden mittaaminen, sähkömittaukset.

Sironta

Useat kokeet kondensoituneella aineella sisältävät röntgensäteiden , optisten fotonien ja neutronien sirontaa materiaalikomponenttien toimesta. Sirontasäteilyn valinta riippuu havaitun energian laajuudesta. Näkyvän valon energia on 1 elektronvoltin (eV) asteikolla, ja sitä käytetään permittiivisyyden ja taitekertoimen mittaamiseen . Röntgensäteiden energia on luokkaa 10 keV , ja siksi ne pystyvät mittaamaan atomipituusasteikkoja ja niitä käytetään elektronien varaustiheyden mittaamiseen [71] :33–34 .

Neutroneja käytetään atomien asteikkojen tutkimiseen, ytimien sironnan, elektronien spinien ja magnetisoinnin tutkimiseen (koska neutroneilla on spin, mutta ei varausta). Coulombin ja Mottin sirontamittaukset suoritetaan käyttämällä elektronisuihkuja, minkä jälkeen havainnoidaan sironneet hiukkaset [71] :33-34 [72] :39-43 . Vastaavasti positroniannihilaatiota käytetään paikallisen elektronitiheyden epäsuoraan mittaukseen [73] . Laserspektroskopia on erinomainen työkalu väliaineen mikroskooppisten ominaisuuksien tutkimiseen, esimerkiksi kiellettyjen siirtymien tutkimiseen väliaineissa, joilla on epälineaarinen optinen suskeptibiliteetti [68] :258–259 .

Matalaenergiaiset elektronit (jopa 1 keV ) tunkeutuvat heikosti kiteisiin suuren sirontapoikkileikkauksen vuoksi ja ovat siksi ihanteellisia kidepintojen tutkimiseen elektronidiffraktiolla [74] . Halu tuntea pinta-alan lähellä sijaitsevien alueiden ominaisuuksia motivoi uusien materiaalien luominen kasvua säätelemällä esimerkiksi molekyylisädeepitaksissa [75] . Kaksiulotteiset materiaalit eroavat kolmiulotteisista materiaaleista tilavuuden puuttuessa, joten transmissioelektronimikroskooppi , joka toimii kymmenien keV:n energioilla aberraatiokorjauksella, mahdollistaa yksittäisten atomien sijainnin tarkkailun amorfisessa kahdessa tilassa. dimensiorakenteita, joiden seurauksena on mahdollista saada kuva plastisista muodonmuutoksista kaksiulotteisessa lasissa leikkausjännityksen vaikutuksesta yksittäisten atomien monimutkaisen liikkeen vaikutuksesta [76] .

Ulkoiset magneettikentät

Kokeellisessa kondensoituneen aineen fysiikassa ulkoiset magneettikentät toimivat termodynaamisina muuttujina , jotka ohjaavat materiaalijärjestelmien tilaa, vaihemuutoksia ja ominaisuuksia [77] . Ydinmagneettinen resonanssi (NMR) on tekniikka, jolla ulkoisten magneettikenttien avulla löydetään yksittäisten elektronien resonanssimoodit, mikä antaa tietoa niiden ympäristön atomi-, molekyyli- ja koordinaatiorakenteesta. NMR-kokeet suoritetaan 60 Teslan magneettikentillä . Suuremmat magneettikentät parantavat NMR-mittaustietojen laatua [78] :69 [79] :185 . Kvanttivärähtelytutkimus on toinen kokeellinen tekniikka, joka käyttää vahvoja magneettikenttiä materiaalien ominaisuuksien, kuten Fermin pinnan geometrian, tutkimiseen [80] . Vahvat magneettikentät ovat hyödyllisiä erilaisten teoreettisten ennusteiden kokeellisessa testauksessa, kuten kvantisoitu magnetosähköinen vaikutus, kiinteissä aineissa havaittu magneettinen monopoli ja puolikokonaisluku kvantti Hall-ilmiö [78] :57 .

Aine korkean paineen alaisena

Kaikki kaasut muuttuvat kiinteiksi riittävän alhaisessa lämpötilassa ja paineessa , joka on enintään 15 GPa [81] . Kiinteiden aineiden ominaisuudet riippuvat kidehilan rakenteesta, joten ulkoinen paine johtaa materiaalien nauharakenteen muutokseen ja ne voivat saada epätavallisia ominaisuuksia, kokea faasimuutoksia, kuten tapahtuu esimerkiksi timanttien kanssa kimberliittiputkissa [82] . Korkeat paineet saadaan laboratoriossa kennoissa, joissa on timanttilalasimia . Tällaista asetusta käyttämällä huoneenlämpötilassa oleva suprajohtavuus osoitettiin CSH 8 [83] -tutkimuksessa vuonna 2020 .

Kylmät atomikaasut

Ultrakylmien atomien sieppaus optisiin hioihin on kokeellinen työkalu, jota käytetään yleisesti kondensoituneen aineen fysiikassa sekä atomi-, molekyyli- ja optisessa fysiikassa . Tässä menetelmässä käytetään optisia lasereita häiriökuvion muodostamiseen , joka toimii hilana , johon ionit tai atomit jäävät loukkuun erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Optisissa hilassa olevia kylmiä atomeja käytetään kvanttisimulaattoreina , eli ne toimivat ohjattuina järjestelminä, jotka simuloivat monimutkaisempien järjestelmien, kuten frustraatiomagneettien , käyttäytymistä [84] . Niitä käytetään erityisesti Hubbard-mallin yksi-, kaksi- ja kolmiulotteisten hilojen luomiseen ennalta määrätyillä parametreilla sekä faasisiirtymien tutkimiseen antiferromagneettisissa materiaaleissa ja spinnesteissä [85] [86] .

Vuonna 1995 rubidiumatomien kaasua , joka oli jäähdytetty 170 nK:n lämpötilaan, käytettiin kokeellisesti toteuttamaan Bose-Einstein-kondensaatti , C. Bosen ja Albert Einsteinin alun perin ennustama uusi ainetila, jossa suuri määrä atomeja miehittää yhden kvanttitilan [87] .

Kvanttilaskenta

Kvanttilaskennassa informaatiota edustavat kvanttibitit tai kubitit . Qubitit voivat joutua dekoherenssiin ennen laskelmien valmistumista ja menettää tallennettuja tietoja. Tämä vakava ongelma rajoittaa kvanttilaskennan käytännön soveltamista [88] . Tämän ongelman ratkaisemiseksi on ehdotettu useita lupaavia lähestymistapoja kondensoidun aineen fysiikassa, mukaan lukien Josephson-liitokseen perustuvat kubitit , magneettisia materiaaleja käyttävät spintroniset kubitit tai topologiset ei-Abelin anionit osakvantti Hall-ilmiön tiloista [89] . Huolimatta siitä, että kvanttitietokoneiden on sisällettävä tuhansia kubitteja käytännössä hyödyllisiä laskelmia varten, jotkin tulokset antavat meille mahdollisuuden tehdä johtopäätöksiä kvanttiylemmyyden toteuttamisesta 49 kubitin järjestelmässä, eli itse asiassa ratkaista ongelma, joka osoittautuu olla liian vaikeaa klassisille tietokoneille [90] . Toinen kubittien sovellusalue on todellisten kvanttijärjestelmien simulointi niin kutsutussa kvantisimulaattorissa, jota Yuri Manin ja Richard Feynman ehdottivat 1980-luvun alussa [91] [92] . Alkuperäisen kvanttijärjestelmän tutkimisen sijaan voidaan harkita sen toteuttamista kubittien avulla, jotka toistavat samat fyysiset efektit, mutta kontrolloidummassa järjestelmässä. Tällä tavalla Bose -Hubbard-järjestelmään on toteutettu Mott-eriste kontrolloidulla dissipaatiolla, ja faasisiirtymiä kubitteihin kytkettyjen suprajohtavien resonaattoreiden hilassa on tutkittu [93] [94] .

2D-materiaalit

Manchesterin yliopiston tutkijat loivat vasta vuonna 2004 ensimmäisen kenttätransistorin grafeenista  , hiilen kaksiulotteisesta modifikaatiosta [95] . 2D-materiaalien käsittelyn joustavuus ja niiden ainutlaatuiset ominaisuudet ovat houkutelleet monia tutkijoita, ja siten 2D-materiaalien perhe kasvaa nopeasti. Kaksiulotteisilla materiaaleilla on tunnettuja vaikutuksia, kuten ferromagnetismi [96] , suprajohtavuus [97] [98] , ferrosähköisyys [99] , mutta kyky vaikuttaa kaksiulotteisen materiaalin ominaisuuksiin kenttäilmiön kautta avaa laajoja näkymiä. käytännön sovelluksiin elektroniikassa [100] . Tiedetään, että kun suprajohde ja tavallinen metalli joutuvat kosketuksiin, Cooper-parit tunkeutuvat normaaliin metalliin, eli normaali metalli saa suprajohteen ominaisuudet - tätä vaikutusta kutsutaan läheisyysilmiöksi . Kaksiulotteisten materiaalien kohdalla lähellä olevien materiaalien, olipa kyseessä suprajohde, ferromagneetti tai materiaali, jolla on voimakas spin-kiertorata-vuorovaikutus, ominaisuudet ilmenevät osittain vierekkäisissä materiaaleissa heikennetyssä muodossa. Esimerkiksi grafeeni voi osoittaa suprajohtavuutta joutuessaan kosketuksiin suprajohteen kanssa, ferromagnetismia ollessaan kosketuksissa ferromagneettisen eristeen kanssa tai spin-kiertoradan vuorovaikutusta ollessaan kosketuksessa asianmukaisten materiaalien kanssa [101] . Materiaalien ominaisuudet saavat uusia piirteitä magneettisten materiaalien läheisyyden vaikutuksesta [102] . Kaksiulotteisten materiaalien puhtaat ja ideaaliset hilat muuttavat hyvin tutkittujen materiaalien ominaisuuksia superhilapotentiaalin muodostumisen vuoksi, minkä seurauksena on syntynyt sellainen tutkimusala kuin twistroniikka [97] . Kahden grafeenikerroksen suhteellinen pyöriminen voidaan osoittaa käyttämällä atomivoimamikroskoopin neulaa [103] . Kaikkia näitä vaikutuksia voidaan ohjata sähkökentän avulla [104] . Tyhjiössä nesteet haihtuvat huoneenlämmössä, minkä vuoksi elektronimikroskopiaa ei voida käyttää orgaanisten esineiden, kuten proteiinien ja elävien solujen, tutkimiseen. Grafeeni, joka ei läpäise kaikkia kemiallisia alkuaineita ja on riittävän ohut, suojaa elävää solua kuivumiselta pyyhkäisyelektronimikroskoopin ultrakorkeassa tyhjiössä [105] .

Sovellukset

Kondensoituneen aineen fysiikan tutkimus on johtanut moniin tärkeisiin sovelluksiin, kuten puolijohdetransistorin [12] kehittämiseen , laserteknologiaan [68] ja useisiin nanoteknologian yhteydessä tutkittuihin ilmiöihin [106] : 111ff . Pyyhkäisytunnelimikroskopiaa käytetään prosessien ohjaamiseen nanometrin mittakaavassa, mikä on johtanut nanoteknologian kehitykseen [89] .

Kondensoituneen aineen fysiikan suurin panos sovellettavaan kenttään liittyy transistorien löytämiseen. Tasomaisten kenttätransistorien ohjattavuus riippuu hilan ja transistorin kanavan välisestä kapasitanssista. Nykyaikainen elektroniikka on siirtymässä kohti 3D-transistoriarkkitehtuuria, niin kutsuttuja FinFET:ejä (Vertical Gate Field Effect Transistor), joissa taajuusvastetta ja vuotoa voidaan parantaa huomattavasti [107] . Suorituskyvyn lisäämiseksi portti tulisi sijoittaa johtavan kanavan ympärille (kenttätransistori, jossa on all-around-portti), joka on nanolangan muotoinen [108] . Huolimatta piiteknologian hallitsevasta roolista integroitujen piirien tuotannossa, prosessorien valmistukseen on yritetty käyttää menestyksekkäästi uusia materiaaleja, erityisesti kaksiulotteista molybdeenidisulfidia [109] ja hiilinanoputkia [110] .

Nesteiden ja kiinteiden aineiden välitilassa on pehmeä aine , jota käytetään laajalti jokapäiväisessä elämässä polymeereissa, kankaissa ja puussa, jotka reagoivat voimakkaasti ulkoisiin häiriöihin, jotka johtuvat niiden hiukkasten välisten sidosten heikkoudesta (pääasiassa heikoin pakettiauto ). der Waals ja vetysidokset ) [111] . Hiilikuidun alhainen tiheys ja hiilikuidun mekaaniset ominaisuudet mahdollistavat komposiittimateriaalien käytön alueilla, joissa materiaalin lujuus-painosuhde on tärkeä, kuten lentokoneiden rakentamisessa ja urheiluvälineissä [112] . Nestekiteille on löydetty käyttöä elektroniikassa [113] . Kondensoituneiden aineiden fysiikassa on myös tärkeitä sovelluksia biofysiikassa , esimerkiksi on luotu kokeellinen magneettikuvausmenetelmä , jota käytetään laajasti lääketieteellisessä diagnostiikassa [89] .

Esineiden internet vaatii virtalähteitä ilman säännöllistä kontaminaatiota, ja oletetaan, että tällaisten järjestelmien energialähteenä ovat ympäristölähteet: tärinä, radiosignaalit, lämpö. Energian keräämiseen liittyy sen muuntaminen sähköenergiaksi ja varastointi akkuihin. Mikroelektromekaanisia laitteita käytetään värähtelyjen muuntamiseen käyttämällä erilaisia ​​fyysisiä ilmiöitä, kuten käänteistä pietsosähköistä vaikutusta , magnetostriktiota , antenneja ja signaalin tasasuuntaamista tarvitaan keräämään radiotaajuusspektri . Jopa 70 % pääenergiasta muunnetaan yleensä lämmöksi, mikä vaatii erilaisten lämpöelementtien kehittämistä tämän kadonneen energian talteenottamiseksi ja uudelleenkäyttöön [114] .

Muistiinpanot

Kommentit
  1. ↑ Sekä vety että typpi on sittemmin nesteytetty; tavallisella nestemäisellä typellä ja vedyllä ei kuitenkaan ole metallisia ominaisuuksia. Fyysikot Eugene Wigner ja Hillard Bell Huntington ennustivat vuonna 1935, että metallisen vedyn tila on olemassa riittävän korkeissa paineissa (yli 25 GPa), mitä ei ole havaittu kokeellisesti.
Lähteet
  1. ↑ Kohn W. (1999). "Essee tiivistetyn aineen fysiikasta 1900-luvulla." Modernin fysiikan arvostelut . 71 (2): 59-77. DOI : 10.1103/RevModPhys.71.S59 .
  2. ↑ 12 Kohn , 1999 , s. S59.
  3. ↑ Martin Joseph D. Kun tiivistetyn aineen fysiikka tuli kuninkaaksi  // Physics Today. - 2019. - T. 72 . - S. 30-37 . - doi : 10.1063/PT.3.4110 .
  4. ↑ Philip Anderson . Fysiikan laitos . Princetonin yliopisto. Haettu: 27. maaliskuuta 2012.
  5. ↑ Anderson Philip W. Focus: Enemmän ja erilaista  //  World Scientific Newsletter. - 2011. - marraskuu ( osa 33 ).
  6. ↑ Kondensoituneen aineen fysiikka . Käyttöönottopäivä: 20.4.2015.
  7. ↑ Martin Joseph D. Mitä nimenmuutoksessa on? Kiinteän olomuodon fysiikka, kondensoituneiden aineiden fysiikka ja materiaalitiede  // Fysiikka  näkökulmasta : päiväkirja. - 2015. - Vol. 17 , ei. 1 . - s. 3-32 . - doi : 10.1007/s00016-014-0151-7 . — .
  8. ↑ Kohn W. Essee tiivistyneen aineen fysiikasta 1900-luvulla  // Reviews of Modern Physics  : Journal  . - 1999. - Voi. 71 , no. 2 . -P.S59 - S77 . - doi : 10.1103/RevModPhys.71.S59 . - . Arkistoitu alkuperäisestä 25. elokuuta 2013.
  9. ↑ Frenkel Ya. I. Nesteiden kineettinen teoria. - Leningrad: Nauka, 1975. - S. 5. - 592 s. — ISBN 5458328728 . — ISBN 9785458328722 .
  10. ↑ Kondensoidun aineen fysiikan työpaikat: Ura kondensoidun aineen fysiikassa . Fysiikan työpaikat tänään . Haettu 1. marraskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 27. maaliskuuta 2009.
  11. ↑ Kondensoituneen aineen fysiikan historia . American Physical Society. Haettu: 27. maaliskuuta 2012.
  12. ↑ 1 2 3 4 Marvin L. Cohen. Essee: Fifty Years of Condensed Matter Physics  (englanniksi)  // Physical Review Letters  : Journal. - 2008. - Voi. 101 , ei. 25 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.101.250001 . - . — PMID 19113681 .
  13. ↑ Brandt N. B., Kulbachinsky V. A. Kvasipartikkelit kondensoidun aineen fysiikassa. - 3. - M. : Fizmatlit, 2010. - S. 19. - 632 s. - ISBN 978-5-9221-1209-3 .
  14. ↑ Marder, 2010 , s. xx
  15. ↑ Marder, 2010 , s. xxi.
  16. ↑ 12 David ; goodstein. Richard Feynman ja suprajohtavuuden historia  // Fysiikka  näkökulmasta : päiväkirja. - 2000. - Voi. 2 , ei. 1 . - s. 30 . - doi : 10.1007/s000160050035 . - .
  17. ↑ Sir Humphry Davyn kerätyt teokset: Voi. II  (englanti) / Davy, John. - Smith Elder & Co., Cornhill, 1839.
  18. ↑ Silvera, Isaac F.; Cole, John W. Metallinen vety: Tehokkain rakettipolttoaine vielä olemassa  //  Journal of Physics : Journal. - 2010. - Vol. 215 , nro. 1 . — P. 012194 . - doi : 10.1088/1742-6596/215/1/012194 . - .
  19. ↑ Rowlinson JS Thomas Andrews ja kriittinen kohta   // Luonto . - 1969. - Voi. 224 , nro. 8 . - s. 541-543 . - doi : 10.1038/224541a0 . — .
  20. ↑ Atkins Peter, de Paula Julio. Fysikaalisen kemian elementit  . - Oxford University Press , 2009. - ISBN 978-1-4292-1813-9 .
  21. ↑ Nobelin fysiikan palkinto 1913: Heike Kamerlingh Onnes . Nobel Media AB. Haettu: 24. huhtikuuta 2012.
  22. ↑ Kittel Charles. Johdatus kiinteän olomuodon  fysiikkaan . - John Wiley & Sons , 1996. - ISBN 978-0-471-11181-8 .
  23. ↑ 1 2 3 4 Hoddeson, Lillian. Out of the Crystal Maze: luvut kirjasta The History of Solid State Physics  (englanniksi) . - Oxford University Press , 1992. - ISBN 978-0-19-505329-6 .
  24. ↑ 12 Kragh Helge. Kvanttisukupolvet: Fysiikan historia 20. vuosisadalla  (englanniksi) . - Uusintapainos. - Princeton University Press , 2002. - ISBN 978-0-691-09552-3 .
  25. ↑ Dirk van Delft. Suprajohtavuuden löytö  (englanniksi)  // Physics Today  : aikakauslehti. - 2010. - syyskuu ( osa 63 , nro 9 ) - s. 38-43 . - doi : 10.1063/1.3490499 . — .
  26. ↑ Slichter Charles. Johdatus suprajohtavuuden historiaan . Löytämisen hetket . American Institute of Physics. Haettu: 13.6.2012.
  27. ↑ Joerg Schmalian. Epäonnistuneet suprajohtavuusteoriat   // Modern Physics Letters B : päiväkirja. - 2010. - Vol. 24 , nro. 27 . - P. 2679-2691 . - doi : 10.1142/S0217984910025280 . - . - arXiv : 1008.0447 .
  28. ↑ Hall Edwin. Magneetin uudesta toiminnasta sähkövirroissa  (englanniksi)  // American Journal of Mathematics  : Journal. - 1879. - Voi. 2 , ei. 3 . - s. 287-292 . - doi : 10.2307/2369245 . Arkistoitu alkuperäisestä 9. maaliskuuta 2008.
  29. ↑ Landau LD, Lifshitz EM Kvanttimekaniikka : Ei-relativistinen teoria  . - Pergamon Press, 1977. - ISBN 978-0-7506-3539-4 .
  30. ↑ Lindley David. Painopiste: Maamerkit – vahingossa tapahtuva löytö johtaa kalibrointistandardiin . APS Physics (15. toukokuuta 2015). Haettu 9. tammikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 7. syyskuuta 2015.
  31. ↑ 1 2 Yksinkertaistettu magnetismin teoria  . – Maailman tieteellinen .
  32. ↑ Sabyasachi Chatterjee. Heisenberg ja ferromagnetismi   // Resonanssi . - 2004. - elokuu ( osa 9 , nro 8 ). - s. 57-66 . - doi : 10.1007/BF02837578 .
  33. ↑ Hystereesin differentiaalimallit  . - Springer.
  34. ↑ Zeeya Merali. Yhteistyöfysiikka: jousiteoria löytää penkkikaverin  (englanniksi)  // Nature : Journal. - 2011. - Vol. 478 , no. 7369 . - s. 302-304 . - doi : 10.1038/478302a . — . — PMID 22012369 .
  35. ↑ Piers Coleman.  Monien kehon fysiikka : keskeneräinen vallankumous  // Annales Henri Poincaré : päiväkirja. - 2003. - Voi. 4 , ei. 2 . - s. 559-580 . - doi : 10.1007/s00023-003-0943-9 . - . - arXiv : cond-mat/0307004 .
  36. ↑ Cooper, Leon N. Sidotut elektroniparit rappeutuneessa Fermi-kaasussa  // Physical Review  : Journal  . - 1956. - Voi. 104 , no. 4 . - s. 1189-1190 . - doi : 10.1103/PhysRev.104.1189 . - .
  37. ↑ 1 2 Klitzin von Klaus. Kvantisoitu Hall-efekti . Nobelprize.org (9. joulukuuta 1985).
  38. ↑ Fisher Michael E. Renormalisaatioryhmäteoria: Sen perusta ja muotoilu tilastollisessa fysiikassa  // Reviews of Modern Physics  : Journal  . - 1998. - Voi. 70 , ei. 2 . - s. 653-681 . - doi : 10.1103/RevModPhys.70.653 . - .
  39. ↑ Wilson K.  Renormalisointiryhmä ja ε-laajennus  // Physics Reports : päiväkirja. - 1974. - Voi. 12 , ei. 2 . - s. 75-199 . - doi : 10.1016/0370-1573(74)90023-4 . — .
  40. ↑ D.V. Shirkov, Renormalisaatioryhmä ja toiminnallinen samankaltaisuus fysiikan eri aloilla, TMF, 1984, osa 60, numero 2, 218-223.
  41. ↑ Avron Joseph E. Topologinen katsaus Quantum Hall -efektiin  // Physics Today  : aikakauslehti  . - 2003. - Voi. 56 , nro. 8 . - s. 38-42 . - doi : 10.1063/1.1611351 . — .
  42. ↑ Wen Xiao Gang. Reunatilojen teoria murtokvantti-Hall-ilmiöissä  // International  Journal of Modern Physics C : päiväkirja. - 1992. - Voi. 6 , ei. 10 . - P. 1711-1762 . - doi : 10.1142/S0217979292000840 . - . Arkistoitu alkuperäisestä 22. toukokuuta 2005.
  43. ↑ Quintanilla George. The strong-correlations puzzle  (englanniksi)  // Physics World  : aikakauslehti. - 2009 - kesäkuuta. Arkistoitu alkuperäisestä 6. syyskuuta 2012.
  44. ↑ Ashcroft Neil W., Mermin N. David. Kiinteän olomuodon fysiikka: [] . - New York: Saunders College Publishing , 1976. - ISBN 0-03-083993-9 .
  45. ↑ Mahan GD Monet hiukkasfysiikka . – 2. - Springer, 1990. - ISBN 978-0-306-43423-5 .
  46. ↑ Kittel Charles. Johdatus kiinteän olomuodon fysiikkaan. - New York: Wiley, 2005. - ISBN 978-0-471-68057-4 .
  47. ↑ Marder, 2010 , s. neljätoista.
  48. ↑ Marder, 2010 , s. 17.
  49. ↑ Nambu Yoichiro. Spontaani symmetrian rikkoutuminen hiukkasfysiikassa: ristihedelmöityksen tapaus . Nobelprize.org (8. joulukuuta 2008).
  50. ↑ Greiter Martin. Rikkoutuuko suprajohtimissa spontaanisti sähkömagneettisen mittarin invarianssi? (englanniksi)  // Annals of Physics : päiväkirja. - 2005. - 16. maaliskuuta ( nide 319 , nro 2005 ). - s. 217-249 . - doi : 10.1016/j.aop.2005.03.008 . - . - arXiv : cond-mat/0503400 .
  51. ↑ Leutwyler H. Fononit Goldstonen   bosoneina // Helv.phys.acta) . - 1997. - Voi. 70 , ei. 1997_ _ - s. 275-286 . - . - arXiv : hep-ph/9609466 .
  52. ↑ Eckert Michael. Kiistanalainen löytö: röntgendiffraktion alku kiteissä vuonna 1912 ja sen vaikutukset   // Acta Crystallographica A : päiväkirja. - International Union of Crystallography , 2011. - Voi. 68 , no. 1 . - s. 30-39 . - doi : 10.1107/S0108767311039985 . — . — PMID 22186281 .
  53. ↑ Han Jung Hoon. Kiinteän olomuodon  fysiikka . - Sung Kyun Kwan University, 2010. Arkistoitu kopio . Haettu 25. lokakuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 20. toukokuuta 2013.
  54. ↑ 1 2 Perdew John P. Neljätoista helppoa oppituntia tiheysfunktionaalisessa teoriassa  // International  Journal of Quantum Chemistry : päiväkirja. - 2010. - Vol. 110 , ei. 15 . - P. 2801-2807 . - doi : 10.1002/qua.22829 .
  55. ↑ Ashcroft Neil W., Mermin N. David. Kiinteän olomuodon  fysiikka . - Saunders College, 1976. - ISBN 978-0-03-049346-1 .
  56. ↑ Hedin Lars (1965). "Uusi menetelmä yhden hiukkasen Greenin funktion laskemiseksi soveltamalla elektroni-kaasuongelmaan" . Phys. Rev. _ 139 (3A): A796-A823. Bib- koodi : 1965PhRv..139..796H . DOI : 10.1103/PhysRev.139.A796 .
  57. ↑ Bethe H., Salpeter E. (1951). "Relativistinen yhtälö rajallisten tilojen ongelmille." Fyysinen arvostelu . 84 (6): 1232. Bibcode : 1951PhRv...84.1232S . DOI : 10.1103/PhysRev.84.1232 .
  58. ↑ Materiaaliprojekti  . _ Käyttöönottopäivä: 11.4.2021.
  59. ↑ Avoin kvanttimateriaalitietokanta  . Käyttöönottopäivä: 11.4.2021.
  60. ↑ AFLOW  . _ Käyttöönottopäivä: 11.4.2021.
  61. ↑ Haastrup Sten, Strange Mikkel, Pandey Mohnish, Deilmann Thorsten, Schmidt Per S., Hinsche Nicki F., Gjerding Morten N., Torelli Daniele, Larsen Peter M., Riis-Jensen Anders C. The Computational 2D Materials Database: korkea- suorituskyvyn mallinnus ja atomisesti ohuiden kiteiden löytäminen  // 2D-materiaalit. - 2018. - V. 5 . - S. 042002 . - doi : 10.1088/2053-1583/aacfc1 . - arXiv : 1806.03173 .
  62. ↑ Zhou Jun, Shen Lei, Costa Miguel Dias, Persson Kristin A., Ong Shyue Ping, Huck Patrick, Lu Yunhao, Ma Xiaoyang, Chen Yiming, Tang Hanmei, Feng Yuan Ping. 2DMatPedia, avoin laskennallinen tietokanta kaksiulotteisista materiaaleista ylhäältä alas ja alhaalta ylös -lähestymistavasta  // Scientific Data volume. - 2019. - T. 6 . - S. 86 . - doi : 10.1038/s41597-019-0097-3 . - arXiv : 1901.09487 .
  63. ↑ Abinit  . _ Käyttöönottopäivä: 11.4.2021.
  64. ↑ Vienna Ab initio -simulaatiopaketti  . Käyttöönottopäivä: 11.4.2021.
  65. ↑ WIEN2k  . _ Käyttöönottopäivä: 11.4.2021.
  66. ↑ Quantum  ESPRESSO . Käyttöönottopäivä: 11.4.2021.
  67. ↑ 1 2 Vojta Matthias. Kvanttifaasisiirtymät  //  Raportteja fysiikan edistymisestä : päiväkirja. - 2003. - Voi. 66 , nro. 12 . - s. 2069-2110 . - doi : 10.1088/0034-4885/66/12/R01 . - . - arXiv : cond-mat/0309604 .
  68. ↑ 1 2 3 4 Tiivistettyjen aineiden fysiikka, fysiikka 1990-luvulta . Kansallinen tutkimusneuvosto.
  69. ↑ Magneettinen kriittinen sironta  . — Oxford University Press .
  70. ↑ Richardson, Robert C. Kokeelliset menetelmät kondensoituneen aineen fysiikassa matalissa lämpötiloissa. - Addison-Wesley, 1988. - ISBN 978-0-201-15002-5 .
  71. ↑ 1 2 Chaikin PM Kondensoituneen aineen fysiikan  periaatteet . - Cambridge University Press , 1995. - ISBN 978-0-521-43224-5 .
  72. ↑ Wentao Zhang. Valoemissiospektroskopia korkean lämpötilan suprajohteella: Bi2Sr2CaCu2O8:n tutkimus laserpohjaisella  kulmaresoluutiolla . — Springer Science & Business Media . — ISBN 978-3-642-32472-7 .
  73. ↑ Siegel RW Positron Annihilation Spectroscopy  // Materials Sciencen vuosikatsaus  . - 1980. - Voi. 10 . - s. 393-425 . - doi : 10.1146/annurev.ms.10.080180.002141 . — .
  74. ↑ Marder, 2010 , s. 82.
  75. ↑ Marder, 2010 , s. 84.
  76. ↑ Huang Pinshane Y., KuraschSimon, Alden Jonathan S., Shekhawat Ashivni, Alemi Alexander A., ​​McEuen Paul L., Sethna James P., Kaiser Ute, Muller David A. Kuvantaminen atomien uudelleenjärjestelyt kaksiulotteisessa silica Glassissa: Katsomassa Silica's Dancea  // Tiede. - 2013. - T. 342 . - S. 224-227 . - doi : 10.1126/tiede.1242248 .
  77. ↑ Kondensoidun aineen fysiikan laitos. Kondensoidun aineen fysiikan laitteistot : korkeat magneettikentät käsittelevän IUPAP - työryhmän raportti . Kansainvälinen puhtaan ja sovelletun fysiikan liitto. "Magneettinen kenttä ei ole vain spektroskooppinen työkalu, vaan termodynaaminen muuttuja, joka lämpötilan ja paineen ohella ohjaa tilaa, faasimuutoksia ja materiaalien ominaisuuksia."
  78. ↑ 1 2 Komitea arvioimaan korkean magneettikentän tieteen nykyistä tilaa ja tulevaa suuntaa Yhdysvalloissa; Fysiikan ja tähtitieteen lautakunta; Tekniikan ja fysikaalisten tieteiden osasto; Kansallinen tutkimusneuvosto. Korkean magneettikentän tiede ja sen sovellus Yhdysvalloissa : nykyinen tila ja tulevaisuuden ohjeet  . — National Academies Press, 2013. - ISBN 978-0-309-28634-3 .
  79. ↑ Moulton WG, Reyes AP Ydinmagneettinen resonanssi kiinteissä aineissa erittäin korkeissa magneettikentissä // High Magnetic Fields  / Herlach Fritz. - World Scientific , 2006. - (Tiede ja teknologia). - ISBN 978-981-277-488-0 .
  80. ↑ Nicolas Doiron-Leyraud. Kvanttivärähtelyt ja Fermin pinta alidoitetussa korkean Tc:n suprajohteessa  //  Nature : Journal. - 2007. - Voi. 447 , no. 7144 . - s. 565-568 . - doi : 10.1038/luonto05872 . — . - arXiv : 0801.1281 . — PMID 17538614 .
  81. ↑ Grochala Wojciech, Hoffmann Roald, Feng Ji, Ashcroft Neil W. (2007). "Kemiallinen mielikuvitus työssä erittäin ahtaissa paikoissa". Angewandte Chemie International Edition . 46 (20): 3620-3642. doi : 10.1002/anie.200602485 . PMID  17477335 .
  82. ↑ Hazen Robert M. Korkean paineen ilmiöt  . https://www.britannica.com/ . Encyclopædia Britannica, Inc. Haettu 17. huhtikuuta 2021.
  83. ↑ Snider Elliot, Dasenbrock-Gammon Nathan, McBride Raymond, Debessai Mathew, Vindana Hiranya, Vencatasamy Kevin, Lawler Keith V., Salamat Ashkan, Dias Ranga P. (lokakuu 2020). "Huonelämpötilan suprajohtavuus hiilipitoisessa rikkihydridissä". luonto . 586 (7829): 373-377. DOI : 10.1038/s41586-020-2801-z .
  84. ↑ Julia; Buluta. Kvanttisimulaattorit  (englanniksi)  // Tiede. - 2009. - Vol. 326 , no. 5949 . - s. 108-111 . - doi : 10.1126/tiede.1177838 . - . — PMID 19797653 .
  85. ↑ Markus; Greiner. Kondensoituneen aineen fysiikka: Optiset hilat   // Luonto . - 2008. - Voi. 453 , no. 7196 . - s. 736-738 . - doi : 10.1038/453736a . — . — PMID 18528388 .
  86. ↑ Jaksch D.  Kylmä atomi Hubbard-työkalupakki  // Annals of Physics : päiväkirja. - 2005. - Voi. 315 , nro. 1 . - s. 52-79 . - doi : 10.1016/j.aop.2004.09.010 . - . - arXiv : cond-mat/0410614 .
  87. ↑ Glanz James . 3 Yhdysvaltain tutkijaa, jotka voittivat Nobelin fysiikan palkinnon , The New York Times  (10. lokakuuta 2001). Haettu 23. toukokuuta 2012.
  88. ↑ DiVincenzo David P. (1995). "Kvanttilaskenta". tiede . 270 (5234): 255-261. Bibcode : 1995Sci...270..255D . CiteSeerX  10.1.1.242.2165 . DOI : 10.1126/tiede.270.5234.255 .  (vaatii tilauksen)
  89. ↑ 1 2 3 Nai-Chang; Jep. A Perspective of Frontiers in Modern Condensed Matter Physics  (englanniksi)  // AAPPS Bulletin: Journal. - 2008. - Voi. 18 , ei. 2 .
  90. ↑ Arute Frank, Arya Kunal, Babbush Ryan, Bacon Dave, Bardin Joseph C. Kvanttiylivalta ohjelmoitavalla suprajohtavalla prosessorilla   // Nature . - 2019. - lokakuu ( nro 7779 , nro 574 ). - s. 505-510 . — ISSN 1476-4687 . - doi : 10.1038/s41586-019-1666-5 . Arkistoitu alkuperäisestä 23. lokakuuta 2019.
  91. ↑ Manin Yu. I. Vychislimoe i nevychislimoe: [ rus. ] . — Sov. Radio, 1980. - s. 13-15.
  92. ↑ Feynman Richard (1982). "Fysiikan simulointi tietokoneilla". International Journal of Theoretical Physics . 21 (6-7): 467-488. Bibcode : 1982IJTP...21..467F . CiteSeerX  10.1.1.45.9310 . DOI : 10.1007/BF02650179 .
  93. ↑ Ma Ruichao, Saxberg Brendan, Owens Clai, Leung Nelson, Lu Yao, Simon Jonathan, Schuster David I., (6. helmikuuta 2019). "Hajottavasti stabiloitu fotonien Mott-eriste." luonto . 566 (7742): 51-57. arXiv : 1807.11342 . DOI : 10.1038/s41586-019-0897-9 . PMID  30728523 .
  94. ↑ Fitzpatrick Mattias, Sundaresan Neereja M., Li Andy CY, Koch Jens, Houck Andrew A. (10. helmikuuta 2017). "Hajottavan vaiheen siirtymän havainnointi yksiulotteisessa QED-hilassa." Fyysinen arvostelu X . 7 (1): 011016. arXiv : 1607.06895 . DOI : 10.1103/PhysRevX.7.011016 .
  95. ↑ Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, Jiang D., Zhang Y., Dubonos SV, Grigorieva IV, Firsov AA Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films  // Tiede. - 2004. - T. 306 . - S. 666-669 . - doi : 10.1126/tiede.1102896 .
  96. ↑ Cheng Gong, Xiang Zhang. Kaksiulotteiset magneettiset kiteet ja esiin tulevat heterorakennelaitteet  // Tiede. - 2019. - T. 363 . - S. - . - doi : 10.1126/science.aav4450 .
  97. ↑ 1 2 Y Cao, V Fatemi, S Fang, K Watanabe, T Taniguchi, E Kaxiras, P Jarillo-Herrero. Suora havainto laajalti viritettävästä bandgapista kaksikerroksisessa grafeenissa. (englanti)  // Luonto: päiväkirja. - 2018. - doi : 10.1038/luonto26160 . — . - arXiv : 1803.02342 .
  98. ↑ Cao Y., Fatemi V., Demir A., ​​​​Fang S., Tomarken SL, Luo JY, Sanchez-Yamagishi JD, Watanabe K., Taniguchi T., Kaxiras E., Ashoori RC, Jarillo-Herrero P. Korreloi eristimen käyttäytyminen puolitäytössä maagisen kulman grafeenisuperhiloissa. (englanti)  // Luonto: päiväkirja. - 2018. - doi : 10.1038/luonto26154 . — . - arXiv : 1802.00553 .
  99. ↑ Sharma Pankaj, Xiang Fei-Xiang, Shao Ding-Fu, Zhang Dawei, Tsymbal Evgeny Y., Hamilton Alex R. ja Seidel Jan. Huoneenlämpöinen ferrosähköinen puolimetalli  // Science Advance. - 2019. - T. 363 . - S. - . - doi : 10.1126/sciadv.aax5080 .
  100. ↑ Briggs Natalie, Subramanian Shruti, Lin Zhong, Li Xufan, Zhang Xiaotian, Zhang Kehao, Xiao Kai, Geohegan David, Wallace Robert, Chen Long-Qing, Terrones Mauricio, Ebrahimi Aida, Das Saptarshi, Redwing Joan, Hinkle Christ Kasopher , Duin Adri van, Crespi Vin, Kar Swastik, Robinson Joshua A. Roadmap for electronic grade 2D materiaalit  // 2D Mater.. - 2019. - V. 6 . - S. 022001 . - doi : 10.1088/2053-1583 . - arXiv : /1808.10514 .
  101. ↑ Žutić Igor, Matos-Abiague Alex, Scharf Benedikt, Dery Hanan, Belashchenko Kirill. Lähellä olevat materiaalit  // Materials Today. - 2019. - T. 22 . - S. 85-107 . - doi : 10.1016/j.mattod.2018.05.003 .
  102. ↑ Huang Bevin, McGuire Michael A., May Andrew F., Xiao Di, Jarillo-Herrero Pablo, Xu Xiaodong. Emergent-ilmiöt ja läheisyysvaikutukset kaksiulotteisissa magneeteissa ja heterorakenteissa  // Nature Materials. - 2020. - T. 19 . - S. 1276-1289 . - doi : 10.1038/s41563-020-0791-8 .
  103. ↑ Ribeiro-Palau Rebeca, Zhang Changjian, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Hone James, Dean Cory R. Twistable electronics with dynamically rotatable heterostructures  // Tiede. - 2018. - T. 361 . - S. 690-693 . - doi : 10.1126/science.aat6981 .
  104. ↑ Žutić et al., 2019 .
  105. ↑ Wojcik Michal, Hauser Margaret, Li Wan, Moon Seonah, Xu Ke. Grafeenikäyttöinen elektronimikroskopia ja korreloitu superresoluutiomikroskooppi märkäsoluista  // Nature Comm.. - 2015. - V. 6 . - S. 7384 . - doi : 10.1038/ncomms8384 .
  106. ↑ CMMP 2010 -komitea; Solid State Sciences komitea; Fysiikan ja tähtitieteen lautakunta; Teknisten ja fysiikan tieteiden osasto, Kansallinen tutkimusneuvosto. Tiivistettyjen aineiden ja materiaalien fysiikka : tiede ympäröivästä maailmasta  . — National Academies Press. — ISBN 978-0-309-13409-5 .
  107. ↑ Digh Hisamoto, Chenming Hu, King Liu Tsu-Jae, Jeffrey Bokor, Wen-Chin Lee, Jakub Kedzierski, Erik Anderson, Hideki Takeuchi, Kazuya Asano, (joulukuu 1998). "Taitettu kanava MOSFET syvälle alle kymmenes mikronin aikakauteen". International Electron Devices Meeting 1998. Technical Digest (luettelonro 98CH36217) : 1032-1034. DOI : 10.1109/IEDM.1998.746531 . ISBN  0-7803-4774-9 .
  108. ↑ Claeys C., Murota J., Tao M., Iwai H., Deleonibus S. ULSI Process Integration 9 . - The Electrochemical Society , 2015. - S. 109. - ISBN 9781607686750 .
  109. ↑ Wachter Stefan, Polyushkin Dmitry K., Bethge Ole & Mueller Thomas. Kaksiulotteiseen puolijohteeseen perustuva mikroprosessori  // Nature Comm.. - 2017. - V. 8 . - S. 14948 . - doi : 10.1038/ncomms14948 .
  110. ↑ Hills Gage, Lau Christian, Wright Andrew, Fuller Samuel, piispa Mindy D., Srimani Tathagata, Kanhaiya Pritpal, Ho Rebecca, Amer Aya, Stein Yosi, Murphy Denis, Arvind, Chandrakasan Anantha & Shulaker Max M. Moderni mikroprosessori rakennettu täydentävästä hiilinanoputkitransistorit  // Luonto. - 2019. - T. 572 . - S. 595-602 . - doi : 10.1038/s41586-019-1493-8 .
  111. ↑ Kohn, 1999 , s. S75.
  112. ↑ Nguyen Dinh, Abdullah Mohammad Sayem Bin, Khawarizmi Ryan, Kim Dave, Kwon Patrick (2020). "Kuituorientaation vaikutus työkalujen kulumiseen hiilikuituvahvisteisten muovien (CFRP) laminaattien reunan viimeistelyssä". kulumista . Elsevier BV 450–451: 203213. doi : 10.1016 /j.wear.2020.203213 . ISSN  0043-1648 .
  113. ↑ Zhen P.-J. de . Pehmeät aineet, Nobelin fysiikan luento 1991  // UFN . - T. 162 , nro 9 . - S. 125-132 .
  114. ↑ Akinaga Hiroyuki. Viimeaikaiset edistysaskeleet ja tulevaisuuden näkymät energiankorjuutekniikoissa  // Jpn. J. Appl. Fysiikka - 2020. - T. 59 . - S. 110201 . doi : 10.35848 /1347-4065/abbfa0 .

Kirjallisuus

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa
 Materiaalitieteen osat
Perusmääritelmät
Pääsuunnat
Yleiset näkökohdat
Muita tärkeitä ohjeita
Liittyvät tieteet
 Tilastollisen fysiikan osat
Kondensoituneen aineen fysiikka