Me atrae la física de la materia condensada porque es simultáneamente útil y fundamental, simultáneamente mundana y fantástica, simultáneamente grande y pequeña, y sobre todo, algunos de los fenómenos que se observan en los sistemas de materia condensada se están volviendo locos.
Primero, una definición de materia condensada. Este campo estudia sistemas de muchos átomos que están condensados (es decir, no son gases) pero no demasiado condensados (es decir, no están dentro de una estrella de neutrones). La física de la materia condensada en su definición más amplia abarca muchos subcampos diferentes (átomos fríos, biofísica, materia blanda, física del estado sólido, etc.). Para esta respuesta, me enfocaré en la física de estado sólido (el estudio de sólidos cristalinos; también llamada materia condensada dura) con la que estoy más familiarizado.
Con ese descargo de responsabilidad fuera del camino, volvamos a nuestra programación programada …
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La física de la materia condensada es útil y fundamental . Muchas personas que conocen un poco acerca de la física del estado sólido saben que nos dio una comprensión microscópica del silicio y su óxido nativo que nos dio transistores de estado sólido que nos dieron todas las computadoras y teléfonos inteligentes del planeta. Pero esos mismos materiales semiconductores, cuando se apilan uno encima del otro de una manera específica, pueden producir un metal bidimensional muy puro en la interfaz. Cuando este material especialmente preparado se enfría a una temperatura muy baja (<4K, es decir, no es útil) y se somete a un gran campo magnético (varios Tesla, no es útil), exhibe conductancia cuantificada que comprende el efecto Hall cuántico entero y fraccional, ambos que obtuvo premios Nobel en física. El primero se usa como estándar para la resistencia eléctrica (útil después de todo), y el segundo exhibe cuasipartículas similares a electrones que se comportan como si tuvieran carga fraccional (¿qué?). En ese sentido, los sistemas de materia condensada manifiestan otras cuasipartículas (objetos que se comportan como partículas dentro del sólido pero no existen fuera del sólido) que se predicen en la física de partículas pero nunca se observan en el espacio libre, como los fermiones majorana [1] y magnéticos. monopolos [2]. El efecto hall cuántico es el predecesor intelectual de un subcampo de física de estado sólido que actualmente está muy de moda: materiales topológicos que incluyen aislantes topológicos, semimetales de Dirac y semimetales de Weyl. Estos también se conectan a la física de partículas a través de cuasipartículas que se comportan como fermiones Dirac y Weyl sin masa (fundamental), y si pueden hacerse superconductores de la manera adecuada, se predice que también manifestarán fermiones majorana que pueden usarse para el cálculo cuántico [ 3] (potencialmente útil).
La física de la materia condensada es a la vez mundana y fantástica . Estoy escribiendo esta respuesta en la mesa de mi comedor, y puedo usar la física de la materia condensada para explicar por qué varios objetos en mi vecindad se comportan de la manera en que lo hacen: por qué mi taza de café de cerámica es buena para manejar líquidos calientes y se rompería si la dejara caer. , por qué mi tenedor de acero inoxidable no atrae un clip de papel en este momento, pero lo haría si lo sostuviera frente a un gran imán de bocina, por qué mi diamante es tan perfecto (cuando se pierde un tercer artículo en una lista, cite a Beyonce). Estos mismos materiales pueden estar implicados en mi fenómeno favorito personal en la física de la materia condensada, la superconductividad, en la que un material pierde repentinamente su resistividad a una temperatura lo suficientemente baja y puede conducir una corriente sin disipación (básicamente, una máquina de movimiento perpetuo, si puede mantenerlo frío suficiente). Algunos de los superconductores de temperatura más alta que existen son materiales cerámicos [4]. El hierro (el componente elemental principal del acero) puede comprimirse (pero no tanto como una estrella de neutrones) y convertirse en un superconductor [5]; o puede ser aleado con, por ejemplo, arsénico y bario, para hacer un tipo diferente de superconductor de alta temperatura [6]. Y el diamante se vuelve superconductor [7] si lo dopa con una gran cantidad de boro. Esta yuxtaposición entre lo mundano y lo fantástico también abarca la capacidad de la física de la materia condensada no solo para describir la naturaleza, sino también para manipular la naturaleza. Vivimos en un universo, pero los sólidos cristalinos nos permiten crear o descubrir otro universo con diferentes propiedades. ¿Quieres un universo donde los imanes solo tengan un polo norte, pero no un polo sur? Esto se realizó dentro de los llamados materiales de Pyrochlore como [math] Dy_2Ti_2O_7 [/ math] que se sintetizaron en un laboratorio y cuya peculiar estructura magnética da lugar a cuasipartículas que se comportan como monopolos magnéticos [8]. ¿Quieres un universo bidimensional? ¿Quizás uno con una velocidad de luz más lenta, un límite de velocidad cósmica más lento? Ambos se realizan en grafeno, un material fantástico que generalmente se produce de la manera más mundana posible: llevando un trozo de cinta adhesiva a un trozo de roca de grafito extraído del suelo [9].
La física de la materia condensada es simultáneamente grande y pequeña . Me refiero a esto tanto en términos de los experimentos (y cálculos) que se pueden hacer como de la ciencia misma. Muchos experimentos en física de materia condensada pueden ser realizados sobre una mesa por un solo estudiante en un laboratorio a un costo relativamente bajo. Sin embargo, otros experimentos se llevan a cabo en grandes instalaciones de usuarios, como sincrotrones, reactores de investigación de dispersión de neutrones y láseres de electrones gratuitos, que requieren un equipo de soporte a tiempo completo y su construcción puede costar más de mil millones de dólares (la buena noticia es que pueden ser utilizado para muchos experimentos diferentes, no solo en física de materia condensada, sino también en química y biología). En el lado teórico del campo, algunas personas hacen cálculos con lápiz y papel, mientras que otras solicitan tiempo en una supercomputadora para estudiar numéricamente sistemas de partículas que interactúan muchas veces. La ciencia de la materia condensada tiene una pequeña cantidad de componentes diminutos: electrones, protones y neutrones. Pero cuando se juntan muchos, muchos de ellos, pueden aparecer propiedades emergentes que abarcan un material macroscópico y, a menudo, son bastante diferentes de la suma de sus partes.
Y eso también me trae los asombrosos fenómenos que aparecen en los sistemas de materia condensada [10]. Cabe señalar que a menudo, estos fenómenos se descubren por sorpresa, no se predicen de antemano. Anteriormente, discutí las cargas fraccionales en el efecto de sala cuántica fraccional y la superconductividad (hecho curioso: la teoría del bosón de Higgs se origina en la teoría que explica por qué ciertos metales se convierten en superconductores a baja temperatura; por lo que toda la física está conectada). Otros fenómenos geniales incluyen electrones súper obesos en algunos compuestos de tierras raras que se comportan como si tuvieran una masa 1000 veces mayor que la de un electrón libre [11], materiales en los que la resistencia aumenta repentinamente en un factor de 100,000 cuando se somete a un sistema magnético. campo [12], elementos altamente radiactivos que experimentan 5 transiciones de fase estructural diferentes en su estado sólido [13], comportamiento fractal (mariposa de Hofstadter) en heteroestructuras de grafeno / nitruro de boro, nuevos tipos de orden magnético como skyrmions (solo el nombre …) , Sólo para nombrar unos pocos. Y no estamos limitados a los fenómenos que conocemos hoy en día: la mota más pequeña de sólido cristalino contiene electrones e iones mutuamente interactivos septillianos, que pueden organizarse de formas casi ilimitadas, por lo que no hay escasez de fenómenos asombrosos (algunos de los cuales podría ser útil también) esperando ser descubierto / inventado. Se cae en el CM, seguro.
Muchas gracias al Prof. Alexander F. Kemper, al Dr. George Burkhard y a Noah Raman por sus útiles sugerencias, mejoras y debates sobre esta respuesta.
Un superconductor puede levitar sobre un imán (genial; mira este video para que sea aún más genial https://upload.wikimedia.org/wik… ), permite que una resonancia magnética haga la parte ‘M’ de su función, y está intelectualmente conectado a El bosón de Higgs. Todas las imágenes de Wikipedia.
¡La materia condensada también tiene fractales! Se han observado patrones de mariposas de Hofstadter en el magnetotransporte de heteroestructuras 2D [14] . Imagen de Wikipedia.
Los sistemas de materia condensada manifiestan todo tipo de orden magnético tonto, como estos skyrmions, que han sido observados en materiales reales (por ejemplo, MnSi) y pueden encontrar aplicación en dispositivos de lógica y memoria. Fuente de la imagen: Skyrmion magnético
Notas al pie
[1] Observación de fermiones de Majorana en cadenas atómicas ferromagnéticas en un superconductor
[2] http://www.nature.com/nature/jou…
[3] http://www.nature.com/nphys/jour…
[4] Superconductividad a alta temperatura
[5] http://www.nature.com/nature/jou…
[6] Hierro expuesto como superconductor de alta temperatura
[7] https://arxiv.org/ftp/cond-mat/p…
[8] Cuerdas de Dirac y monopolos magnéticos en el Spin Ice Dy2Ti2O7
[9] Minerales | Grafito
[10] La teoría de todo
[11] Fermión pesado
[12] Mil cambios en resistividad en películas magnetorresistivas de La-Ca-Mn-O
[13] Alótropos de plutonio
[14] http://www.nature.com/nature/jou…
