Física del estado sólido

La física de estado sólido es el estudio de la materia rígida, o sólidos, a través de métodos como la mecánica cuántica, la cristalografía, el electromagnetismo y la metalurgia. Es la rama más grande de la física de la materia condensada. Estudios de física de estado sólido cómo las propiedades a gran escala de materiales sólidos como resultado de sus propiedades a escala atómica. Por lo tanto, la física de estado sólido es la base teórica de la ciencia de los materiales. También tiene aplicaciones directas, por ejemplo, en la tecnología de transistores y semiconductores.

Fondo

Los materiales sólidos están formados por átomos densamente empaquetados, que interactúan intensamente. Estas interacciones producen las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, magnéticas y ópticas de los sólidos. Dependiendo del material en cuestión y las condiciones en las que se formó, los átomos pueden estar dispuestos en un patrón geométrico regular o irregular.
La mayor parte de la física de estado sólido como una teoría general y no es realmente una forma comprobada de investigación se centra en los cristales. Principalmente, esto se debe a la periodicidad de los átomos en un cristal - su característica definitoria - facilita el modelado matemático. Del mismo modo, los materiales cristalinos a menudo tienen propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas o mecánicas que pueden ser explotadas para propósitos de ingeniería.
Las fuerzas entre los átomos en un cristal pueden tomar una variedad de formas. Por ejemplo, en un cristal de cloruro de sodio, el cristal se compone de sodio iónico y cloro, y mantiene unida con enlaces iónicos. En otros, los átomos comparten electrones y forman enlaces covalentes. En los metales, los electrones se comparten entre todo el cristal en el enlace metálico. Finalmente, los gases nobles no se someten a cualquiera de estos tipos de unión. En forma sólida, los gases nobles se llevan a cabo junto con fuerzas de van der Waals resultantes de la polarización de la nube de carga electrónica en cada átomo. Las diferencias entre los tipos de resultado sólido a partir de las diferencias entre su unión.

Estructura cristalina y propiedades

Muchas propiedades de los materiales se ven afectadas por su estructura cristalina. Esta estructura puede ser investigada utilizando una serie de técnicas cristalográficas, incluyendo la cristalografía de rayos X, difracción de neutrones y difracción de electrones.
Los tamaños de los cristales individuales en un material sólido cristalino de color varían dependiendo del material en cuestión y las condiciones cuando se formó. La mayoría de materiales cristalinos encuentran en la vida cotidiana son policristalino, con los cristales individuales siendo microscópica en la escala, pero los cristales individuales macroscópicas se pueden producir de forma natural o artificialmente.
Cristales reales presentan defectos o irregularidades en los arreglos ideales, y son estos defectos críticos determinan muchas de las propiedades eléctricas y mecánicas de los materiales reales.
La red cristalina puede vibrar. Estas vibraciones se encuentran para ser cuantificada, los modos de vibración cuantizados se conocen como fonones. Los fonones juegan un papel importante en muchas de las propiedades físicas de los sólidos, tales como la transmisión de sonido. En los sólidos aislante, los fonones son también el mecanismo principal por el cual la conducción de calor se lleva a cabo. Los fonones también son necesarios para la comprensión de la capacidad de calor de celosía de un sólido, como en el modelo de Einstein y el modelo de Debye más tarde.

Propiedades electrónicas

Propiedades de los materiales, tales como la conducción eléctrica y la capacidad de calor son investigados por física del estado sólido. Un primer modelo de conducción eléctrica fue el modelo de Drude, que aplicó la teoría cinética de los electrones en un sólido. Por supuesto de que el material contiene iones positivos inmóviles y un "gas de electrones" de electrones, que no interactúan entre clásicos, el modelo de Drude fue capaz de explicar la conductividad eléctrica y térmica y el efecto Hall en metales, aunque sobreestimado en gran medida la capacidad de calor electrónica.
Arnold Sommerfeld combina el modelo de Drude clásica con la mecánica cuántica en el modelo de electrón libre. En este caso, los electrones se modelan como un gas de Fermi, un gas de partículas que obedecen a la mecánica estadística de Fermi-Dirac cuántica. El modelo de electrón libre dio mejores predicciones para la capacidad térmica de los metales, sin embargo, fue incapaz de explicar la existencia de los aisladores.
El modelo de electrones casi libre es una modificación del modelo de electrón libre que incluye una débil perturbación periódica significado para modelar la interacción entre los electrones de conducción y los iones en un sólido cristalino. Mediante la introducción de la idea de bandas electrónicas, la teoría explica la existencia de conductores, semiconductores y aislantes.
El modelo de electrones casi libre vuelve a escribir la ecuación de Schrödinger para el caso de un potencial periódico. Las soluciones en este caso se conocen como estados Bloch. Desde el teorema de Bloch se aplica sólo a los potenciales de periódicos, y ya que los movimientos aleatorios incesantes de átomos en un cristal interrumpen periodicidad, este uso del teorema de Bloch es sólo una aproximación, pero ha demostrado ser una aproximación de un valor muy importante, sin que la mayoría de la física de estado sólido análisis sería intratable. Las desviaciones de la periodicidad son tratadas por la teoría cuántica perturbación mecánica.

Generalidades del Estado Sólido

En este módulo se presentan algunas generalidades de la física de los materiales, en el marco del trabajo que se hará en el curso, con la ayuda de las siguientes preguntas básicas

¿Qué es el estado sólido?

¿Qué es la Física del Estado Sólido?

¿Por qué se estudia la Física del Estado Sólido?

Espero ubicar al estudiante con respecto al sistema físico a estudiar, en el marco de conceptos y teorías que son básicas para el entendimiento de los materiales y a la Metodología de la Física del Estado Sólido que se utilizará durante el curso y permite explicar propiedades y fenómenos de sólidos cristalinos.

La física clásica permitió clasificar los diferentes estados de la materia en: sólido, líquido y gaseoso y de acuerdo con sus propiedades eléctricas clasificarlos en conductores y aislantes, de acuerdo con sus propiedades magnéticas en diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos y con respecto a sus propiedades ópticas en opacos o transparentes. Pero, no era posible explicar porqué la materia presentaba estos comportamientos.

La materia en estado sólido se presenta de diferentes formas, como sólidos cristalinos y amorfos, en una configuración de diferentes cristales con diferentes orientaciones, llamado policristal, cuasicristales que presentan propiedades diferentes a los cristales y son útiles ya que permiten otras aplicaciones prácticas, dependiendo si los átomos se ordenan de forma periódica o no.

La Física del Estado Sólido estudia los sólidos cristalinos o cristales, los sólidos reales se presentan o bien como cristales con desorden estructural o defectos, impurezas o dislocaciones. Los cristales son sistemas compuestos por un número muy grande de átomos, del orden de 10²³, que interactúan entre ellos. Las interpretaciones y resultados acerca del uso y conocimientos del estado de la materia están íntimamente relacionados con la evolución de la Física, experimental o teórica. Debido a la complejidad del sistema a estudiar se debe implementar una metodología adecuada con el fin de entender sus propiedades y los mecanismos responsables de los fenómenos que los materiales presentan, como un resultado de estas interacciones internas y externos. Para ello se cuenta con los conocimientos de la mecánica cuántica y la física estadística, apoyados en los trabajos realizados por la Física Atómica y Molecular y la Teoría cuántica de Campos.

La Física del Estado Sólido es la base de la tecnología actual y permite entender la correlación entre las propiedades físicas macroscópicas y las características microscópicas de los materiales, con base en modelos y aproximaciones aplicados a los cristales, como un arreglo ordenado y perfecto de átomos. La naturaleza provee con más de 100 elementos químicos que pueden cristalizar a medida que la temperatura disminuye. Para estudiar efectivamente las propiedades físicas de los cristales y estar en capacidad de explicar los fenómenos físicos propios de los materiales, se utiliza un método basado en teoría de perturbaciones llamado aproximación adiabática.

Los estados estacionarios de la energía del cristal se hallan considerando que los átomos se conforman de iones (un ión es un núcleo atómico mas los electrones más ligados a él) y de electrones del valencia, en lugar de considerarlo como se hace en la Física Atómica y Molecular, compuestos por núcleos y electrones. Esta aproximación permite explicar las propiedades de transporte u ópticas, entre otros, que sería prácticamente imposible de resolver si la estructura más estable para la mayoría de los sólidos de la naturaleza no fuera como la del cristal idealizado. Esta metodología da las bases fundamentales para entender fenómenos colectivos como son el magnetismo y la superconductividad.

En los últimos años la física del estado sólido se ha expandido rápidamente en la implementación de nuevas teorías y creación de nuevos métodos de medición; el hallazgo de nuevos materiales con aplicaciones tecnológicas con propiedades excepcionales para una aplicación específica, son un testimonio de los progresos en esta área. Pero, es también importante tener en cuenta que para llegar a una utilización tecnológica se debe tener en cuenta además de sus propiedades, su costo.

La Física de la Materia Condensada tiene un marco de trabajo más amplio que los alcances de este curso, ya que permite describir y determinar lo que sucede a sistemas como gases diluidos y sólidos más reales hasta células vivas, estudiar las propiedades de los líquidos, cristales líquidos, metales líquidos, cuasicristales, sólidos cristalinos y amorfos, sistemas ordenados magnéticamente, cerámicos, vidrios, polímeros, plásticos, etc., se investigan en términos de su simetría, estructura topológica de defectos e hidrodinámica. El estudio de todos estos estados de la materia, se basa las leyes de conservación y rompimiento de simetrías.

Propiedades y Fenómenos Físicos

La Física del Estado Sólido estudia las propiedades y fenómenos físicos; por medio de la teoría electrónica de las bandas, explica las propiedades eléctricas de los metales, aisladores y semiconductores, hasta la teoría de la superconductividad, el magnetismo y el efecto Hall cuántico. Pero, aún hoy, los problemas fundamentales de cómo tratar los efectos del desorden de la red siguen resueltos parcialmente. Aunque cada día se buscan nuevos materiales con propiedades excepcionales para una aplicación específica, se debe considerar dos condiciones esenciales, que sean fácilmente maquinables y de bajo costo, es por ello que los materiales mas usados son los que son más abundantes en la naturaleza: Silicio, Aluminio, Cobre e Hierro.

La Física del Estado Sólido, se dedica a la investigación experimental y teórica de la estructura electrónica y atómica de los sólidos, las transiciones de fase, las propiedades electricas y ópticas, sistemas en nanoescala, y fuertemente correlacionados como la superconductividad, magnetismo y ferroelectricidad. En estado sólido, una de las características fundamentales de los materiales conductores (metales, semiconductores y superconductores) son las propiedades de transportes (conductividad eléctrica, térmica, termopotencia, etc.).

El estudio de estas propiedades a despertado gran interés en la elaboración de modelos teóricos y experimentales de nuevos materiales que presenten buenas propiedades de transporte.