Física de estado sólido - Solid-state physics

A física do estado sólido é o estudo da matéria rígida , ou sólidos , por meio de métodos como mecânica quântica , cristalografia , eletromagnetismo e metalurgia . É o maior ramo da física da matéria condensada . A física do estado sólido estuda como as propriedades em grande escala de materiais sólidos resultam de suas propriedades em escala atômica . Assim, a física do estado sólido constitui uma base teórica da ciência dos materiais . Ele também tem aplicações diretas, por exemplo, na tecnologia de transistores e semicondutores .

Fundo

Os materiais sólidos são formados a partir de átomos densamente compactados, que interagem intensamente. Essas interações produzem as propriedades mecânicas (por exemplo, dureza e elasticidade ), térmicas , elétricas , magnéticas e ópticas dos sólidos. Dependendo do material envolvido e das condições em que foi formado, os átomos podem ser dispostos em um padrão geométrico regular ( sólidos cristalinos , que incluem metais e gelo de água comum ) ou irregularmente (um sólido amorfo , como vidro de janela comum ).

A maior parte da física do estado sólido, como teoria geral, concentra-se nos cristais . Primeiramente, isso ocorre porque a periodicidade dos átomos em um cristal - sua característica definidora - facilita a modelagem matemática. Da mesma forma, os materiais cristalinos costumam ter propriedades elétricas , magnéticas , ópticas ou mecânicas que podem ser exploradas para fins de engenharia .

As forças entre os átomos em um cristal podem assumir uma variedade de formas. Por exemplo, em um cristal de cloreto de sódio (sal comum), o cristal é feito de sódio iônico e cloro e mantido junto com ligações iônicas . Em outros, os átomos compartilham elétrons e formam ligações covalentes . Nos metais, os elétrons são compartilhados por todo o cristal em ligações metálicas . Finalmente, os gases nobres não sofrem nenhum desses tipos de ligação. Na forma sólida, os gases nobres são mantidos juntos com as forças de van der Waals resultantes da polarização da nuvem de carga eletrônica em cada átomo. As diferenças entre os tipos de sólidos resultam das diferenças entre suas ligações.

História

As propriedades físicas dos sólidos têm sido assuntos comuns de investigação científica por séculos, mas um campo separado chamado de física do estado sólido não surgiu até a década de 1940, em particular com o estabelecimento da Divisão de Física do Estado Sólido (DSSP) dentro da American Physical Society . O DSSP atendia aos físicos industriais, e a física do estado sólido passou a ser associada às aplicações tecnológicas possibilitadas pela pesquisa em sólidos. No início dos anos 1960, o DSSP era a maior divisão da American Physical Society.

Grandes comunidades de físicos de estado sólido também surgiram na Europa após a Segunda Guerra Mundial , em particular na Inglaterra , Alemanha e União Soviética . Nos Estados Unidos e na Europa, o estado sólido tornou-se um campo proeminente por meio de suas investigações em semicondutores, supercondutividade, ressonância magnética nuclear e diversos outros fenômenos. Durante o início da Guerra Fria, a pesquisa em física do estado sólido muitas vezes não se restringia aos sólidos, o que levou alguns físicos nas décadas de 1970 e 1980 a fundar o campo da física da matéria condensada , que se organizava em torno de técnicas comuns usadas para investigar sólidos, líquidos, plasmas, e outros assuntos complexos. Hoje, a física do estado sólido é amplamente considerada como o subcampo da física da matéria condensada, muitas vezes referida como matéria condensada dura, que se concentra nas propriedades dos sólidos com redes cristalinas regulares.

Estrutura e propriedades do cristal

Um exemplo de uma rede cúbica

Muitas propriedades dos materiais são afetadas por sua estrutura cristalina . Esta estrutura pode ser investigada usando uma variedade de técnicas cristalográficas , incluindo cristalografia de raios-X , difração de nêutrons e difração de elétrons .

Os tamanhos dos cristais individuais em um material sólido cristalino variam dependendo do material envolvido e das condições em que foi formado. A maioria dos materiais cristalinos encontrados na vida cotidiana são policristalinos , com os cristais individuais sendo microscópicos em escala, mas os cristais únicos macroscópicos podem ser produzidos naturalmente (por exemplo, diamantes ) ou artificialmente.

Cristais reais apresentam defeitos ou irregularidades nos arranjos ideais, e são esses defeitos que determinam criticamente muitas das propriedades elétricas e mecânicas de materiais reais.

Propriedades eletrônicas

Propriedades de materiais como condução elétrica e capacidade de calor são investigadas pela física do estado sólido. Um dos primeiros modelos de condução elétrica foi o modelo Drude , que aplicava a teoria cinética aos elétrons em um sólido. Ao assumir que o material contém íons positivos imóveis e um "gás de elétron" de elétrons clássicos não interagentes, o modelo de Drude foi capaz de explicar a condutividade elétrica e térmica e o efeito Hall nos metais, embora superestime muito a capacidade de calor eletrônico.

Arnold Sommerfeld combinou o modelo Drude clássico com a mecânica quântica no modelo do elétron livre (ou modelo Drude-Sommerfeld). Aqui, os elétrons são modelados como um gás Fermi , um gás de partículas que obedece às estatísticas de Fermi-Dirac da mecânica quântica . O modelo de elétrons livres deu melhores previsões para a capacidade térmica dos metais, porém, não foi capaz de explicar a existência de isoladores .

O modelo de elétron quase livre é uma modificação do modelo de elétron livre que inclui uma perturbação periódica fraca destinada a modelar a interação entre os elétrons de condução e os íons em um sólido cristalino. Ao introduzir a ideia de bandas eletrônicas , a teoria explica a existência de condutores , semicondutores e isolantes.

O modelo de elétron quase livre reescreve a equação de Schrödinger para o caso de um potencial periódico . As soluções neste caso são conhecidas como estados de Bloch . Uma vez que o teorema de Bloch se aplica apenas a potenciais periódicos, e uma vez que movimentos aleatórios incessantes de átomos em um cristal interrompem a periodicidade, este uso do teorema de Bloch é apenas uma aproximação, mas provou ser uma aproximação tremendamente valiosa, sem a qual a maioria da física de estado sólido a análise seria intratável. Os desvios da periodicidade são tratados pela teoria de perturbação da mecânica quântica .

Pesquisa moderna

Os tópicos de pesquisa modernos em física do estado sólido incluem:

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Neil W. Ashcroft e N. David Mermin , Solid State Physics (Harcourt: Orlando, 1976).
  • Charles Kittel , Introdução à Física do Estado Sólido (Wiley: New York, 2004).
  • HM Rosenberg, The Solid State (Oxford University Press: Oxford, 1995).
  • Steven H. Simon , The Oxford Solid State Basics (Oxford University Press: Oxford, 2013).
  • Fora do labirinto de cristal. Capítulos da História da Física do Estado Sólido , ed. Lillian Hoddeson, Ernest Braun, Jürgen Teichmann, Spencer Weart (Oxford: Oxford University Press, 1992).
  • MA Omar, Elementary Solid State Physics (Revised Printing, Addison-Wesley, 1993).
  • Hofmann, Philip (26/05/2015). Solid State Physics (2 ed.). Wiley-VCH. ISBN 978-3527412822.