Física del estado sólido

La física del estado sólido estudia la materia rígida , o sólidos, mediante métodos como la química del estado sólido , la mecánica cuántica , la cristalografía , el electromagnetismo y la metalurgia . Es la rama más extensa de la física de la materia condensada . La física del estado sólido estudia cómo las propiedades a gran escala de los materiales sólidos resultan de sus propiedades a escala atómica . Por lo tanto, la física del estado sólido constituye la base teórica de la ciencia de los materiales . Junto con la química del estado sólido , también tiene aplicaciones directas en la tecnología de transistores y semiconductores .

Los materiales sólidos se forman a partir de átomos densamente empaquetados que interactúan intensamente. Estas interacciones generan las propiedades mecánicas (por ejemplo, dureza y elasticidad ), térmicas , eléctricas , magnéticas y ópticas de los sólidos. Dependiendo del material y de las condiciones de su formación, los átomos pueden estar dispuestos de forma regular y geométrica ( sólidos cristalinos , que incluyen metales y hielo común) o de forma irregular (un sólido amorfo como el vidrio común).

La mayor parte de la física del estado sólido, como teoría general, se centra en los cristales . Esto se debe principalmente a que la periodicidad de los átomos en un cristal —su característica definitoria— facilita la modelización matemática. Asimismo, los materiales cristalinos suelen poseer propiedades eléctricas , magnéticas , ópticas o mecánicas que pueden aprovecharse con fines de ingeniería.

Las fuerzas entre los átomos de un cristal pueden adoptar diversas formas. Por ejemplo, en un cristal de cloruro de sodio (sal común), el cristal está formado por iones de sodio y cloro , unidos por enlaces iónicos . En otros casos, los átomos comparten electrones y forman enlaces covalentes . En los metales, los electrones se comparten en todo el cristal mediante enlaces metálicos . Por último, los gases nobles no presentan ninguno de estos tipos de enlace. En estado sólido, los gases nobles se mantienen unidos por fuerzas de van der Waals, resultado de la polarización de la nube de carga electrónica en cada átomo. Las diferencias entre los distintos tipos de sólidos se deben a las diferencias en sus enlaces.

Las propiedades físicas de los sólidos han sido objeto de investigación científica durante siglos, pero el campo independiente conocido como física del estado sólido no surgió hasta la década de 1940, en particular con la creación de la División de Física del Estado Sólido (DSSP, por sus siglas en inglés) dentro de la Sociedad Estadounidense de Física . La DSSP atendía a físicos industriales, y la física del estado sólido se asoció con las aplicaciones tecnológicas posibilitadas por la investigación sobre sólidos. A principios de la década de 1960, la DSSP era la división más grande de la Sociedad Estadounidense de Física. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

También surgieron grandes comunidades de físicos del estado sólido en Europa después de la Segunda Guerra Mundial , en particular en Inglaterra, Alemania y la Unión Soviética . ^{[ 3 ]} En Estados Unidos y Europa, el estado sólido se convirtió en un campo prominente a través de sus investigaciones sobre semiconductores , superconductividad , resonancia magnética nuclear y otros fenómenos diversos. Durante los inicios de la Guerra Fría, la investigación en física del estado sólido a menudo no se limitaba a los sólidos, lo que llevó a algunos físicos en las décadas de 1970 y 1980 a fundar el campo de la física de la materia condensada , que se organizó en torno a técnicas comunes utilizadas para investigar sólidos, líquidos, plasmas y otra materia compleja. ^{[ 1 ]} Hoy en día, la física del estado sólido se considera ampliamente como el subcampo de la física de la materia condensada, a menudo denominado materia condensada dura, que se centra en las propiedades de los sólidos con redes cristalinas regulares.

Muchas propiedades de los materiales se ven afectadas por su estructura cristalina . Esta estructura se puede investigar utilizando diversas técnicas cristalográficas , como la cristalografía de rayos X , la difracción de neutrones y la difracción de electrones .

El tamaño de los cristales individuales en un material sólido cristalino varía según el material y las condiciones de su formación. La mayoría de los materiales cristalinos que encontramos en la vida cotidiana son policristalinos , con cristales individuales de tamaño microscópico, pero también se pueden producir cristales individuales macroscópicos , ya sea de forma natural (por ejemplo, diamantes) o artificial.

Los cristales reales presentan defectos o irregularidades en su disposición ideal, y son precisamente estos defectos los que determinan de forma crucial muchas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales reales.

La física del estado sólido investiga propiedades de los materiales como la conductividad eléctrica y la capacidad calorífica . Un modelo inicial de conductividad eléctrica fue el modelo de Drude , que aplicaba la teoría cinética a los electrones en un sólido. Al suponer que el material contiene iones positivos inmóviles y un "gas de electrones" de electrones clásicos que no interactúan entre sí, el modelo de Drude pudo explicar la conductividad eléctrica y térmica , así como el efecto Hall en los metales, aunque sobreestimó considerablemente la capacidad calorífica electrónica.

Arnold Sommerfeld combinó el modelo clásico de Drude con la mecánica cuántica en el modelo de electrones libres (o modelo de Drude-Sommerfeld). En este modelo, los electrones se representan como un gas de Fermi , un gas de partículas que obedecen la estadística cuántica de Fermi-Dirac . El modelo de electrones libres proporcionó predicciones mejoradas para la capacidad calorífica de los metales; sin embargo, no pudo explicar la existencia de aislantes .

El modelo de electrones casi libres es una modificación del modelo de electrones libres que incluye una perturbación periódica débil , diseñada para modelar la interacción entre los electrones de conducción y los iones en un sólido cristalino. Al introducir el concepto de bandas electrónicas , la teoría explica la existencia de conductores , semiconductores y aislantes .

El modelo de electrones casi libres reescribe la ecuación de Schrödinger para el caso de un potencial periódico . Las soluciones en este caso se conocen como estados de Bloch . Dado que el teorema de Bloch solo se aplica a potenciales periódicos, y dado que los movimientos aleatorios incesantes de los átomos en un cristal perturban la periodicidad, este uso del teorema de Bloch es solo una aproximación, pero ha demostrado ser una aproximación tremendamente valiosa, sin la cual la mayoría de los análisis de la física del estado sólido serían intratables. Las desviaciones de la periodicidad se tratan mediante la teoría de perturbaciones de la mecánica cuántica .

Entre los temas de investigación modernos en física del estado sólido se incluyen:

• Superconductividad de alta temperatura
• cuasicristales
• Vaso giratorio
• Materiales fuertemente correlacionados
• Materiales bidimensionales
• nanomateriales

• Física de la materia condensada
• Cristalografía
• Espectroscopia nuclear
• Mecánica de sólidos

• Neil W. Ashcroft y N. David Mermin , Física del estado sólido (Harcourt: Orlando, 1976).
• Charles Kittel , Introducción a la física del estado sólido (Wiley: Nueva York, 2004).
• HM Rosenberg, El estado sólido (Oxford University Press: Oxford, 1995).
• Steven H. Simon , Fundamentos del estado sólido de Oxford (Oxford University Press: Oxford, 2013).
• Fuera del laberinto de cristal. Capítulos de la historia de la física del estado sólido , editado por Lillian Hoddeson, Ernest Braun, Jürgen Teichmann y Spencer Weart (Oxford: Oxford University Press, 1992).
• MA Omar, Física elemental del estado sólido (Edición revisada, Addison-Wesley, 1993).
• Hofmann, Philip (26 de mayo de 2015). Física del estado sólido (2.ª  ed.). Wiley-VCH. ISBN 978-3527412822.