응집 물질 물리학과 다양한 물리학에 대하여

응축물 물리학은 응축물의 물리적 특성 과 미세 구조 및 관계간의이들, 물리적 성질을 연구하는 학문 입니다. 응집 물질 물리학은 오늘날 물리학의 가장 크고 중요한 분야 중 하나입니다. 한편으로, 그것은 고체 상태 물리학의 확장이므로 연구 대상에는 액체 헬륨, 용융 염, 액체 금속, 액정, 라텍스 및 폴리머 와 같은 고체 물질 외에도 많은 액체 물질이 포함됩니다. 등등, 그리고 보스-아인슈타인 응축 보스 가스 및 양자 축퇴 페르미 가스와 같은 일부 특수 기체 물질도 포함됩니다. 다른 한편으로, 그것은 또한 전통적인 고체 물리학이 남긴 많은 어려운 문제를 처리하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 기존의 고체보다 더 복잡한 일부 물질에 대한 적용을 용이하게 하는 새로운 개념 시스템 을 도입합니다. 역사적으로 고체물리학은 1930년대와 1940년대에 설립되었고, 1970년대에 처음으로 응집물질물리학이라는 명칭이 등장하였고, 1980년대와 1990년대에는 점차 주제명으로 고체물리학을 대체하거나 고체물리학을 동의어로 이해하게 되었습니다. 

 

주제 소개

응집 물질 물리학은 오늘날 물리학의 가장 크고 중요한 분야 중 하나입니다. 연구 수준은 거시적, 중시 적 에서 미시적, 더 나아가 다양한 응집 물질의 물리적 현상에 대한 미시적 수준에서 통일된 이해에 이르기까지 다양 합니다. 비주기적 및 준주기적, 완전에서 불완전까지, 거의 완전한 외부 환경은 정상 조건에서 극한 조건에 이르기까지 다양하며 여러 극한 조건의 상호 작용 등으로 고체 상태보다 더 깊고 일반적인 이론 체계를 형성합니다. 물리학의 반세기 이상의 발전 끝에 응집물질 물리학은 물리학에서 가장 중요하고 풍부하며 활발한 학문이 되었으며 반도체, 초전도체, 자기 새로운 재료, 새로운 장치 및 새로운 공정의 개발을 위한 과학적 기반을 제공합니다. 최전방 연구 핫스팟의 지속적인 출현과 새로운 교차 분야의 지속적인 출현은 응집 물질 물리학의 중요한 특징이며 생산 실습과의 긴밀한 연결은 또 다른 중요한 특징입니다.많은 연구 주제는 종종 기본 연구 및 개발의 성격을 결합 및 응용 연구 연구 결과는 신속하게 생산성으로 전환될 것으로 예상할 수 있습니다.

 

역사

응집 물질 물리학 은 19세기 고체 상태 물리학과 저온 물리학 의 발전에서 비롯 되었습니다. 19세기에는 수정에 대한 사람들의 이해가 점차 깊어졌습니다. 1840년 프랑스 물리학자 A. Bravais 는 3차원 결정의 14가지 배열인 Bravais 격자 를 모두 도출 했습니다. 1912년 독일의 물리학자 폰 라우에(von Laue ) 가 결정 에서 X선의 회절 을 발견하여 고체 물리학의 새로운 시대를 열었고, 그 이후로 사람들은 X선의 회절 무늬를 통해 결정의 미세 구조를 연구할 수 있게 되었습니다.

 

19세기에 유명한 영국 물리학자 패러데이 는 당시 알려진 대부분의 가스 를 저온 에서 액화 했습니다. 1908년 네덜란드 물리학자 H. Onnes 는 액화하기 어려운 마지막 기체인 헬륨을 액화하여 인공 저온 -269°C(4K)의 새로운 기록을 작성하고 저온에서 금속의 초전도성 을 발견했습니다. 초전도 는 응용 가능성이 넓습니다. 초전도에 대한 이론 및 실험 연구는 20세기에 큰 발전을 이루었습니다. 임계 전이 온도의 최고 기록은 지속적으로 갱신되고 있습니다. 초전도 연구는 응집 물질 물리학에서 가장 인기 있는 분야 중 하나가 되었습니다.

고온 초전도체 에 대한 이론 모델, 오늘날 응집 물질 물리학이 직면한 주요 문제입니다.

 

이론적 근거

고체 물리학의 중요한 이론적 초석은 1전자 근사에 기반을 둔 에너지 밴드 이론 입니다. 응집 물질 물리학의 개념 체계는 상전이 이론과 임계 현상 이론 에서 파생되고 여러 입자의 상호 작용 이론에 뿌리를 두고 있으므로 더 넓은 관점을 갖습니다. 상전이점 뿐만 아니라 반대편의 무질서한 상과 그 사이의 임계 영역에서 스케일링 법칙 과 보편성 의 물리적 거동을 무시하지도 않습니다.

 

L. Landau 는 1937년에 2차 상전이 를 위한 대칭 파괴 의 중요한 개념을 제시했으며, 이는 나중에 응집 물질 물리학의 개념 시스템의 주요 축이 되었습니다. 물질 의 특정 상태 에서 대칭 요소 의 존재 여부는 모호할 수 없습니다. 온도나 압력 을 변화시키는 과정에서 원래 상의 어떤 대칭 요소가 갑자기 사라지는 것은 상전이가 일어나 질서 있는 상이 나타난 것을 의미합니다. 순서 매개변수는 원래 위상에서 정렬된 위상의 편차 를 정성 및 정량적 으로 설명하기 위해 도입 되었습니다. 0도(0K)까지 내려가면 정렬된 상은 바닥 상태 에 도달 하고 0이 아닌 정렬된 상은 여기 상태 에 있습니다. 반면에 여기 상태는 깨진 대칭 을 복원하는 경향이 있습니다. 저에너지 여기 상태는 비편재화되어 파동 또는 준입자 형태로 나타나며 메타 여기 의 앙상블 이라고 합니다. 비선형 국소화의 여기 상태를 "예언" 위상 결함이라고 합니다. 메타 여기 및 위상 결함은 모두 다른 물리적 특성에 영향을 줄 수 있습니다. 

 

충분히 높은 온도의 물질 은 균질하고 등방성 인 기체 상태 를 가정 하고 통계적 의미에서 완전한 병진 대칭 및 회전 대칭 을 유지하며 이를 지배하는 물리 법칙과 동일한 대칭을 유지합니다. 냉각하면 기체 가 액체로 응축 되고 전체 대칭이 동일하게 유지되는 동안 짧은 절차 가 발생합니다. 다시 냉각하면 액체가 결정으로 응고되고 병진 및 회전 대칭이 모두 깨지고 나머지 대칭은 230개의 공간 그룹 중 하나에 속합니다. 고체 의 풍부하고 다채로운 물리적 특성 은 대칭 파괴 와 밀접한 관련이 있으며 매력적인 물리적 속성을 가진 대부분의 액체는 액정 또는 복잡한 액체이며 일부 대칭 파괴와 관련이 있습니다. 결정 상태 의 원소 가진 은 고체의 열적 특성을 이해하는 열쇠인 격자 진동 또는 포논 이고, 결정 상태의 위상 결함은 전위 로서 고체 의 가소성 과 강도 를 이해하는 열쇠입니다. 

 

연구 내용

응집물질 물리학의 기본 과제는 미세구조와 물성 간의 관계를 규명하는 것이므로, 응집물질을 구성 하는 특정 유형의 미세입자 의 집합체 가 양자적 특성( 파동-입자 이중성 )을 나타내는지 여부 를 판단하는 것이 중요합니다. 전자의 질량은 작고 상온 에서는 양자특성이 뚜렷하게 나타나며, 이온이나 원자는 질량이 무거워서 저온(약 4K)에서는 액체 헬륨 만, 극저온에서는 알칼리 금속 희가스 (μK~ nK), 원자의 양자적 특성이 두드러지게 나타났습니다. 이것은 또한 왜 저온 조건이 응축 물질 물리학 연구에 매우 중요한지를 설명합니다. 미세한 입자는 두 가지 범주로 나뉩니다. 하나는 반-정수 스핀 을 갖고 파울리 배제 원리 를 따르는 페르미온 이고, 다른 하나 는 정수 스핀을 갖고 동일한 에너지 상태에서 임의의 수의 입자를 허용하는 보존 입니다. 이 두 가지 유형의 입자의 물리적 거동은 분명히 다릅니다.

 

고체 전자 이론

고체에서 전자의 거동에 대한 연구는 항상 고체 물리학의 중심 문제였습니다. 이것은 여전히 ​​응축 물질 물리학의 경우입니다. 고체에서 전자의 거동은 전자 사이의 상호작용의 크기에 따라 세 영역으로 나눌 수 있습니다.

 

① 약한 연합 영역

격자 상의 이온에 의한 전자 산란에 기초한 밴드 이론 은 고체에서 전자의 거동에 대한 적절한 이론적 틀을 제공하며, 반도체 및 단순 금속에 매우 성공적으로 적용되어 왔으며, 반도체 물리학에 해당됩니다.
 

②중간 관계 영역 

일반 금속 및 강자성 물질 을 포함 합니다. Landau의 페르미 액체 이론은 저온에서 일반 금속 및 3 He 액체의 기본 여기 및 물리적 거동 을 성공적으로 설명했습니다. W. Cohen et al.이 개발한 밀도 기능 이론 은 복잡한 구조 재료 에서 전자 구조 를 효율적으로 계산하기 위한 이론적 틀을 제공합니다. 전자 간의 교환 상호 작용(직접, 간접, 초교환, 이중 교환 및 순회 교환 포함)은 자기적으로 정렬된 상( 강자성체 , 반강자성체 및 기타 강자성체)을 형성합니다. 자기적으로 정렬된 상의 여기 상태( 마그논 및 자기 도메인 ) 는 강자성의 물리적 기초를 구성하는 물리적 매개변수 및 자화 곡선 을 이해할 수 있는 기회를 제공합니다 .

 

③ 강한 연합 영역 

전자 농도가 매우 낮은 바람직하지 않은 금속을 포함합니다. 에너지 밴드 이론이 수립된 직후 E. Wigner 는 쿨롱 반발에 의해 전자가 Wigner 격자에 편재한다고 가정했고, N. Motuo 는 NiO와 같은 산화물이 상관 관계에 의해 발생하는 절연체 , 즉 모드 절연체라고 생각했습니다. 1960년대에 Kondo 는 Kondo 효과 라고 하는 희석된 자성 합금의 극도로 작은 저항 현상에 대한 이론적인 설명을 했습니다. 1980년대부터 1990년대까지 일련의 도핑된 모드 절연체에서 이상한 물리적 특성이 발견되었습니다. 예를 들어 구리 산화물 에서 발견되는 고온 초전도체 및 망간 산화물에서 발견되는 거대 자기 저항 효과와 같습니다. 또한 Kondo 효과와 관련된 란탄족 및 악티늄 족 중전자 합금 에서도 다양한 정렬된 상과 비정상적인 물리적 특성이 발견되었습니다. 위에서 언급한 유형의 강한 상관 물질의 물리적 특성에 대한 연구는 만족스럽게 해결되지 않았습니다.

 

거시적 양자 상태

저온 물리학 연구의 주요 성과는 금속 및 합금의 초전도성(저항 이 Tc 미만으로 0으로 떨어지고 모든 자속 이 반발되어 완전한 반자석이 됨)과 액체 헬륨의 초유동성 ( 점도 )의 발견에 있습니다. 히스테리시스 계수 Tc 아래로 갑자기 0 으로 떨어짐 ). 이러한 거시적 양자 상태 현상의 출현은 게이지 대칭이 깨진 결과입니다( 파동 함수 위상은 임의의 값일 수 있음). 일찍이 1924년에 아인슈타인 은 보스-아인슈타인 통계 에 기초하여 보스 -아인슈타인 응축수에 대한 아이디어를 제안했습니다. 즉, 이상적인 보스 기체는 저온에서 나타나고 기저 상태 는 거시적 입자 의 수입니다. 4 He 원자는 보존이므로 4 He 초유체 를 발견한 후 F. London 은 초유체 상태 가 보스-아인슈타인 응축의 결과라고 제안했습니다. 초전도 의 역학 을 설명하기 위해 런던이 제안한 런던 방정식 은 실제로 거시적 양자 상태 의 개념을 포함하고 있습니다. 1952년 V. Günzburg 와 L. Landau가 제안한 현상학초전도 이론은 초전도 상태 를 설명하기 위해 거시적 파동 함수와 유사한 복잡한 차수 매개변수를 명시적으로 도입합니다. 1957년 J. Badin 등 은 초전도에 대한 정확한 미시적 이론 , 즉 BCS 이론 을 제안했는데, 핵심은 전자-포논 상호작용 으로 인해 운동량 공간에서 한 쌍의 전자가 쿠퍼 쌍을 형성 하여 전자가 시스템에는 또한 특정 속성이 있습니다. 보손 시스템의 특성과 유사합니다. 1972년 3He 초유체 상태가 2.7mK 이하에서 발견되었고, 3He 원자 도 페르미온이므로 이것도 페르미온 짝짓기의 결과입니다. 쌍체 상태의 특성은 차수 매개변수의 대칭성으로 판단할 수 있습니다. 기존 초전도체 는 s-파 쌍자 스핀 단일항 상태, 고온 초전도체는 d-파 쌍자 스핀 단일항 상태, 3 He 초유체 는 p-파 쌍자 스핀 삼중항 상태는 자성입니다. 또한 연구 중인 p파 쌍으로 의심되는 일부 비전통적인 초전도체도 있습니다. 비전통적인 초전도체의 메커니즘도 아직 밝혀지지 않았습니다. 1995년 E. Konar 등은 희소 87 Rb 가스를 극저온(<μK)으로 냉각하여 보스-아인슈타인 응축을 실현하여 응축 물질 물리학의 연구 분야를 극저온의 희가스로 확장했습니다.

 

나노구조 및 메조스코픽 물리학

일부 단순 재료의 물리적 특성이 비교적 명확했기 때문에 20 세기 중반 이후 특정 구조 규모 (물리적 특성과 관련된 특정 특성 길이 ) 에 따라 다양한 재료가 재료 및 장치 의 복합 재료로 구성되었습니다. 우수한 물리적 특성 을 얻기 위해 . 선택한 구조 규모가 나노미터 범위(1-100 나노미터) 내에 있으면 나노구조 입니다. 20세기 말에 이 분야는 학계와 사회에서 큰 주목을 받았다.

 

양자 역학 은 입자가 나노 규모 의 장벽 을 통과 할 수 있다고 말합니다. 이 효과는 반도체 터널 다이오드, 단일 전자 초전도 터널 접합 및 쿠퍼 쌍 초전도 터널 접합과 같은 터널 접합과 같은 샌드위치 구조 를 준비하는 데 사용할 수 있습니다. 후자는 조셉슨 효과 가 초전도 전자 장치의 핵심 장치 가 되었음을 반영합니다. 스핀 의존 터널링 효과를 사용하여 터널링 자기 저항을 갖는 자기 메모리가 제작되었습니다. 

 

복합 구조가 전자 페르미 파장 범위에 들어가면 양자 구속 효과 를 나타내어 양자 우물 , 양자 와이어 및 양자점 을 생성 합니다. 반도체 양자 우물은 고속 트랜지스터와 고효율 레이저를 제조하는 데 사용되었습니다. 탄소 나노튜브 에 의해 밝혀진 풍부하고 다양한 물리적 특성에 의해 입증된 바와 같이 양자 와이어에 대한 연구도 결실을 맺었 습니다. 양자점은 마이크로캐비티 레이저와 단일 전자 트랜지스터를 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 자기 양자 우물은 강자성 금속 및 비자성 금속으로 만들어질 수 있으며 거대한 자기 저항 효과 를 나타내며 메모리의 읽기 헤드 로 사용할 수 있습니다. 이러한 예는 나노전자공학 ( 스핀트로닉스 포함)이 고체 전자공학 및 포토닉스 개발 의 주류가 될 것임을 보여줍니다.

 

나노구조는 또한 기초 연구 에서 매우 중요한 역할을 합니다. 2차원 전자 기체에서 정수 및 분수 양자 홀 효과 와 위그너 격자의 발견, 1차원 전도체에서 루팅거 액체 이론의 검증, 메조스코픽 양자 수송 현상이 밝혀졌습니다. 일부 인공 나노 구조에서 발견됩니다. 

 

연질 물리학

복합 액체라고도 하는 연질 물질은 액정 , 라텍스 및 폴리머와 같이 고체와 액체 사이의 상입니다. 연질은 대부분이 유기물 이며, 원자 규모에서는 무질서하지만 중간 규모 에서는 규칙적이고 질서 정연한 구조를 가질 수 있습니다. 액정 분자가 막대 모양이면 중심에 위치 순서가 없지만 막대의 방향이 정렬될 수 있습니다. 또 다른 예는 폴리머가 부드러운 장쇄 분자로 구성되어 있으며, 이는 장거리 무질서의 상관 관계로 인해 임계 현상 과 유사한 스케일링 법칙 을 따릅니다. 1970년대와 1980년대에 액정 물리학과 고분자 물리학이 확립되면서 응집 물질 물리학이 전통적인 경질 물질에서 연질 물질로 성공적으로 확장될 수 있었습니다. 연질은 물리적 특성의 특성인 작은 외부 자극(온도, 외부 장 또는 외력 ) 에 크게 반응하여 명백한 실제 효과를 나타냅니다. 단일 코인 셀 배터리 로 LCD 시계 를 몇 년 동안 구동할 수 있다는 사실 이 증거입니다. 연질 물질의 변화 동안 내부 에너지의 변화는 거의 없고 엔트로피의 변화가 매우 크므로 조직 구조의 변화는 주로 엔트로피에 의해 주도되는데, 이는 내부 에너지에 의해 주도되는 경질 물질과는 완전히 다릅니다. 엔트로피에 의한 질서와 엔트로피에 의한 변형 은 연질 자기조립 의 물리적 기초 입니다.