Введение
Физика твердого тела – это раздел физики, посвященный изучению вещества в твердом состоянии.
Физика твердого тела изучает твердые вещества с использованием методов, таких как химия твердого состояния, квантовая механика, кристаллография, электромагнетизм и металлургия. Это крупнейшая область физики конденсированного состояния. Физика твердого тела исследует, каким образом макроскопические свойства твердых материалов определяются их атомными свойствами. Таким образом, физика твердого тела является теоретической основой материаловедения. Наряду с химией твердого состояния, она также находит непосредственное применение в технологиях производства транзисторов и полупроводников.
Предыстория
Твердые материалы формируются из плотно упакованных атомов, которые интенсивно взаимодействуют. Эти взаимодействия определяют механические (например, твердость и упругость), тепловые, электрические, магнитные и оптические свойства твердых тел. В зависимости от материала и условий его формирования, атомы могут быть расположены в регулярном геометрическом порядке (кристаллические твердые тела, такие как металлы и обычный лед) или беспорядочно (аморфные твердые тела, например, обычное оконное стекло). Большая часть физики твердого тела, как общей теории, сосредоточена на изучении кристаллов. Это в первую очередь связано с тем, что периодичность расположения атомов в кристалле – его определяющая характеристика – облегчает математическое моделирование. Кроме того, кристаллические материалы часто обладают электрическими, магнитными, оптическими или механическими свойствами, которые могут быть использованы в инженерных приложениях. Силы между атомами в кристалле могут проявляться в различных формах. Например, в кристалле хлорида натрия (поваренной соли) кристалл состоит из ионно связанных атомов натрия и хлора, удерживаемых вместе ионными связями. В других случаях атомы разделяют электроны, образуя ковалентные связи. В металлах электроны делокализованы по всему кристаллу, формируя металлическую связь. Наконец, благородные газы не образуют ни один из этих типов связей. В твердом состоянии благородные газы удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, возникающими вследствие поляризации электронного облака каждого атома. Различия между типами твердых тел обусловлены различиями в типах связей между их атомами.
История
Физические свойства твердых тел были предметом научных изысканий на протяжении веков, однако как самостоятельная область физика твердого состояния оформилась лишь в 1940-х годах, особенно с учреждением Отдела физики твердого состояния (DSSP) при Американском физическом обществе. DSSP ориентировалась на физиков, работавших в промышленности, и физика твердого состояния стала ассоциироваться с технологическими приложениями, ставшими возможными благодаря исследованиям твердых тел. К началу 1960-х годов DSSP стал самым крупным отделом Американского физического общества. Крупные научные сообщества, занимающиеся физикой твердого состояния, возникли в Европе после Второй мировой войны, в частности, в Англии, Германии и Советском Союзе. В Соединенных Штатах и Европе исследования в области твердого состояния получили широкое признание благодаря изучению полупроводников, сверхпроводимости, ядерного магнитного резонанса и других явлений. В ранний период холодной войны исследования в области физики твердого тела часто не ограничивались только твердыми телами, что побудило некоторых физиков в 1970-х и 1980-х годах основать физику конденсированного состояния, которая объединила общие методы исследования твердых тел, жидкостей, плазмы и других сложных систем. Сегодня физика твердого состояния обычно рассматривается как подраздел физики конденсированного состояния, часто называемый «твердым конденсированным состоянием», который фокусируется на свойствах твердых тел с упорядоченными кристаллическими решетками.
Кристаллическая структура и свойства
На многие свойства материалов влияет их кристаллическая структура. Эту структуру можно исследовать с помощью различных кристаллографических методов, включая рентгеновскую дифракцию, нейтронную дифракцию и электронную дифракцию. Размеры отдельных кристаллов в кристаллическом твердом теле варьируются в зависимости от материала и условий его формирования. Большинство кристаллических материалов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, являются поликристаллическими, при этом размеры отдельных кристаллов микроскопические, но макроскопические монокристаллы могут быть получены как естественным путем (например, алмазы), так и искусственно. Реальные кристаллы содержат дефекты или отклонения от идеального строения, и именно эти дефекты существенно определяют многие электрические и механические свойства реальных материалов.
Электронные свойства
Свойства материалов, такие как электрическая проводимость и теплоемкость, исследуются физикой твердого тела. Ранней моделью электрической проводимости была модель Друде, которая применяла кинетическую теорию к электронам в твердом теле. Предполагая, что материал содержит неподвижные положительные ионы и "электронный газ" классических, не взаимодействующих электронов, модель Друде смогла объяснить электрическую и теплопроводность и эффект Холла в металлах, хотя она значительно переоценивала электронную теплоемкость. Арнольд Зоммерфельд объединил классическую модель Друде с квантовой механикой в модели свободных электронов (или модели Друде-Зоммерфельда). В этой модели электроны рассматриваются как газ Ферми – газ частиц, подчиняющихся квантовомеханической статистике Ферми-Дирака. Модель свободных электронов дала более точные предсказания теплоемкости металлов, однако она не смогла объяснить существование изоляторов. Модель почти свободных электронов является модификацией модели свободных электронов, включающей слабое периодическое возмущение, предназначенное для моделирования взаимодействия между электронами проводимости и ионами в кристаллическом твердом теле. Вводя понятие электронных зон, теория объясняет существование проводников, полупроводников и изоляторов. Модель почти свободных электронов переписывает уравнение Шредингера для случая периодического потенциала. Решения в этом случае известны как состояния Блоха. Поскольку теорема Блоха применима только к периодическим потенциалам, а непрерывные случайные движения атомов в кристалле нарушают периодичность, применение теоремы Блоха является лишь приближением, но оно оказалось чрезвычайно ценным, без которого большинство задач анализа в физике твердого тела были бы неразрешимы. Отклонения от периодичности рассматриваются с помощью квантовомеханической теории возмущений.