응축물질물리학
Condensed matter physics| 응축물질물리학 |
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응축된 물질 물리학은 물질의 거시적이고 미시적인 물리적 특성, 특히 원자와 전자 사이의 전자기력에서 발생하는 고체상과 액체상을 다루는 물리학 분야입니다. 좀 더 일반적으로, 주제는 물질의 응축된 단계들을 다룹니다: 그들 사이에 강한 상호작용을 하는 많은 구성 요소들의 시스템입니다. 더 이국적인 응축상에는 극저온에서 특정 물질에 의해 나타나는 초전도상, 원자의 결정 격자에서 스핀의 강자성 및 반강자성상, 극저온 원자 시스템에서 발견되는 보스-아인슈타인 응축상 및 액정이 포함됩니다. 응축된 물질 물리학자들은 다양한 물질적 특성을 측정하기 위한 실험과 양자역학, 전자기학, 통계역학 및 기타 물리학 이론의 물리 법칙을 적용하여 수학적 모델을 개발하고 극도로 큰 원자 집단의 특성을 예측함으로써 이러한 단계의 행동을 이해하려고 합니다.[1]
연구에 사용할 수 있는 시스템과 현상의 다양성은 응축된 물질 물리학을 현대 물리학의 가장 활발한 분야로 만듭니다: 모든 미국 물리학자의 3분의 1이 응축된 물질 물리학자라고 스스로 밝히고 있으며,[2] 응축된 물질 물리학 분과는 미국 물리학회의 가장 큰 분과입니다.[3] 여기에는 고체 상태와 연질 물질 물리학자가 포함되며, 이들은 각각 물질의 양자 및 비양자 물리적 특성을 연구합니다.[4] 두 유형 모두 다양한 자료를 연구하여 많은 연구, 자금 및 고용 기회를 제공합니다.[5] 이 분야는 화학, 재료 과학, 공학 및 나노 기술과 중복되며 원자 물리학 및 생물 물리학과 밀접한 관련이 있습니다. 응축된 물질의 이론 물리학은 입자 물리학 및 핵 물리학과 중요한 개념 및 방법을 공유합니다.[6]
결정학, 야금학, 탄성, 자기 등 물리학의 다양한 주제들이 고체 물리학으로 묶이기 전인 1940년대까지 별개의 영역으로 취급되었습니다. 1960년대를 전후하여 액체의 물리적 특성에 대한 연구가 이 목록에 추가되어 응축 물질 물리학의 보다 포괄적인 전문 분야의 기초가 되었습니다.[7] 벨 전화 연구소는 응축 물질 물리학의 연구 프로그램을 수행한 최초의 기관 중 하나였습니다.[7] 막스 플랑크 고체 연구소의 설립 책임자인 물리학 교수 마누엘 카르도나에 따르면, 알버트 아인슈타인은 광전효과와 광발광에 관한 1905년의 획기적인 글을 시작으로, 그리고 나중에 소개된 고체의 비열에 관한 1907년의 글을 시작으로, 응축 물질 물리학의 현대적인 분야를 창조한 사람입니다. 처음으로 격자 진동이 결정체의 열역학적 특성, 특히 비열에 미치는 영향.[8] 예일 양자 연구소 A의 부소장. 더글러스 스톤은 양자역학의 합성 역사에 대한 그의 연구에서 아인슈타인에게 유사한 우선순위의 사례를 제시합니다.[9]
어원
물리학자 필립 워렌 앤더슨(Philip Warren Anderson)에 따르면, 연구 분야를 지정하기 위해 "응축 물질"이라는 용어를 사용한 것은 그와 볼커 하이네(Volker Heine)가 1967년 케임브리지 캐번디시 연구소(Cavendish Laboratories)의 그룹 이름을 고체 상태 이론에서 응축 물질 이론으로 변경했을 때,[10] 액체, 핵 물질 등에 대한 관심을 더 잘 포함한다고 생각했기 때문입니다.[11][12] Anderson과 Heine는 "응축 물질"이라는 이름을 대중화하는 데 도움을 주었지만, 유럽에서 몇 년 동안 사용되었으며, 1963년에 창간된 Springer-Verlag 저널인 "응축 물질의 물리학"에서 가장 두드러지게 나타났습니다.[13] "응축 물질 물리학"이라는 이름은 고체, 액체, 플라즈마 및 기타 복잡한 물질에 대해 연구하는 물리학자들이 직면하는 과학적 문제의 공통성을 강조한 반면, "고체 물리학"은 종종 금속 및 반도체의 제한된 산업적 응용과 관련이 있었습니다. 1960년대와 70년대에 몇몇 물리학자들은 더 포괄적인 이름이 당시의 자금 환경과 냉전 정치에 더 잘 맞는다고 느꼈습니다.[14]
"응축" 상태에 대한 언급은 이전 출처로 추적할 수 있습니다. 예를 들어,[15] 야코프 프렌켈은 1947년 저서 액체의 운동 이론의 소개에서 "액체의 운동 이론은 고체의 운동 이론의 일반화와 확장으로서 그에 따라 발전되어야 한다"고 제안했습니다. 사실은 '응결체'라는 제목으로 통일하는 것이 더 옳을 것입니다."
역사
고전물리학
물질의 응축된 상태에 대한 최초의 연구 중 하나는 19세기의 첫 수십 년 동안 영국의 화학자 험프리 데이비에 의한 것이었습니다. 데이비는 당시 알려진 40개의 화학 원소 중 26개가 광택, 연성, 높은 전기 및 열전도율과 같은 금속성을 가지고 있음을 관찰했습니다.[16] 이것은 존 돌턴의 원자론에서 원자들이 돌턴이 주장한 것처럼 나눌 수 없는 것이 아니라 내적 구조를 가지고 있다는 것을 나타냅니다. 데이비는 또한 질소와 수소와 같이 당시 기체로 여겨졌던 원소들이 적절한 조건에서 액화되어 금속으로 행동할 수 있다고 주장했습니다.[17][note 1]
1823년 당시 데이비의 연구실 조수였던 마이클 패러데이는 염소를 액화하는 데 성공했고, 질소, 수소, 산소를 제외한 알려진 모든 기체 원소를 액화하기 시작했습니다.[16] 얼마 지나지 않아 1869년 아일랜드의 화학자 토마스 앤드루스는 액체에서 기체로의 상전이를 연구하여 기체와 액체가 상으로 구별되지 않는 상태를 설명하기 위해 임계점이라는 용어를 만들었습니다.[19] 그리고 네덜란드의 물리학자 요하네스 반 데르 발스는 훨씬 더 높은 온도에서의 측정을 바탕으로 임계 행동을 예측할 수 있는 이론적 틀을 제공했습니다.[20]: 35–38 1908년 제임스 드워와 하이케 카멜링 온네스는 각각 수소와 새로 발견된 헬륨을 액화하는 데 성공했습니다.[16]
1900년 Paul Drude는 금속 고체를 통과하여 움직이는 고전적인 전자에 대한 최초의 이론적 모델을 제안했습니다.[6] 드루드의 모델은 금속의 성질을 자유 전자의 기체로 설명했고, 비데만-프랑츠 법칙과 같은 경험적 관찰을 설명한 최초의 미시적 모델이었습니다.[21][22]: 27–29 그러나 드루드의 모델이 성공했음에도 불구하고, 금속의 비열 및 자기적 특성에 대한 전자적 기여와 낮은 온도에서의 저항성의 온도 의존성을 정확하게 설명할 수 없다는 한 가지 주목할 만한 문제점이 있었습니다.[23]: 366–368
헬륨이 처음 액화된 지 3년 후인 1911년, 라이덴 대학에서 근무하던 온네스는 수은의 초전도성을 발견했고, 수은의 전기 저항이 일정한 값 이하의 온도에서 사라지는 것을 관찰했습니다.[24] 이 현상은 당대 최고의 이론물리학자들을 완전히 놀라게 했고, 수십 년 동안 설명할 수 없는 상태로 남아 있었습니다.[25] 1922년 알버트 아인슈타인은 초전도성에 대한 현대 이론에 대해 "복합 시스템의 양자역학에 대한 광범위한 무지로 인해 우리는 이러한 모호한 생각에서 이론을 구성할 수 있는 것과는 거리가 멀다"고 말했습니다.[26]
양자역학의 등장
드루드의 고전적인 모델은 볼프강 파울리, 아놀드 소머펠트, 펠릭스 블로흐 그리고 다른 물리학자들에 의해 강화되었습니다. 파울리는 금속의 자유 전자가 페르미-디랙 통계를 따라야 한다는 것을 깨달았습니다. 그는 이 아이디어를 이용해 1926년 상자성 이론을 개발했습니다. 얼마 지나지 않아, 소머펠트는 페르미-디랙 통계를 자유 전자 모델에 통합하고 열용량을 더 잘 설명하도록 만들었습니다. 2년 후, 블로흐는 양자역학을 이용해 주기적인 격자 안에서 전자의 운동을 묘사했습니다.[23]: 366–368 오귀스트 브라바이스(Auguste Bravais), 예브그라프 표도로프(Yevgraf Fyodorov) 등이 개발한 결정구조 수학은 결정을 대칭군에 따라 분류하는 데 사용되었으며, 결정구조 표는 1935년에 처음 출판된 국제 결정표 시리즈의 기초가 되었습니다.[27] 밴드 구조 계산은 1930년 신소재의 특성을 예측하는 데 처음 사용됐고, 1947년 존 바딘, 월터 브래탱, 윌리엄 쇼클리 등이 반도체 기반의 트랜지스터를 최초로 개발해 전자공학의 혁명을 예고했습니다.[6]
1879년 존스 홉킨스 대학의 에드윈 허버트 홀(Edwin Herbert Hall)은 전도체에 걸쳐 전류에 대해 횡으로 흐르는 전압과 전류에 수직인 자기장을 발견했습니다.[28] 전도체에서 전하 캐리어의 특성 때문에 일어나는 이 현상을 홀 효과라고 부르게 되었지만, 18년이 지나서야 전자가 실험적으로 발견되었기 때문에 당시에는 제대로 설명되지 않았습니다. 양자역학이 등장한 후 1930년 레프 란다우는 란다우 양자화 이론을 발전시켜 반세기 후에 발견된 양자 홀 효과에 대한 이론적 설명의 토대를 마련했습니다.[29]: 458–460 [30]
물질의 성질로서의 자성은 기원전 4000년부터 중국에서 알려져 왔습니다.[31]: 1–2 그러나 자성에 대한 최초의 현대적 연구는 19세기에 패러데이, 맥스웰 등에 의한 전기역학의 발전에서 시작되었으며, 여기에는 자성에 대한 반응에 따라 물질을 강자성, 상자성 및 반자성으로 분류하는 것이 포함되었습니다.[32] 피에르 퀴리는 온도에 대한 자화의 의존성을 연구하고 강자성 물질에서 퀴리 점 상전이를 발견했습니다.[31] 1906년 Pierre Weiss는 강자성체의 주요 성질을 설명하기 위해 자기 영역의 개념을 도입했습니다.[33]: 9 빌헬름 렌츠와 에른스트 아이싱은 이징 모델을 통해 자성 물질을 집단적으로 자화를 획득하는 스핀의 주기적 격자로 구성되어 있다고 설명했습니다.[31] 이징 모델은 자연적인 자화가 1차원에서 일어날 수 있고 고차원 격자에서 가능하다는 것을 보여주기 위해 정확하게 해결되었습니다. Blochon 스핀파와 Néel on 반강자성학과 같은 추가적인 연구는 자기 저장 장치에 적용할 수 있는 새로운 자기 재료를 개발하는 것으로 이어졌습니다.[31]: 36–38, g48
현대다체물리학
강자성에 대한 소머펠트 모델과 스핀 모델은 1930년대에 응축된 물질 문제에 양자역학을 성공적으로 적용한 사례를 보여주었습니다. 그러나 여전히 몇 가지 해결되지 않은 문제들이 있었는데, 가장 주목할 만한 것은 초전도와 콘도 효과에 대한 설명이었습니다.[35] 제2차 세계 대전 이후, 양자장 이론의 여러 아이디어가 응축된 물질 문제에 적용되었습니다. 여기에는 고체의 집단 여기 모드에 대한 인식과 준입자의 중요한 개념이 포함되었습니다. 러시아의 물리학자 레프 란다우는 페르미 액체 이론을 위해 상호작용하는 페르미온 시스템의 낮은 에너지 특성이 현재 란다우-콰시 입자라고 불리는 측면에서 주어졌다는 아이디어를 사용했습니다.[35] 란다우는 또한 연속적인 상전이를 위한 평균장 이론을 개발했는데, 이 이론은 정렬된 상이 대칭의 자발적인 파괴라고 설명했습니다. 그 이론은 또한 순서화된 단계들을 구별하기 위해 순서 매개변수의 개념을 도입했습니다.[36] 결국 1956년 존 바딘, 레온 쿠퍼, 로버트 슈리퍼는 격자 내의 포논에 의해 매개되는 반대 스핀의 두 전자 사이의 임의로 작은 인력이 쿠퍼 쌍이라고 불리는 결합 상태를 일으킬 수 있다는 발견에 기초하여 이른바 BCS 초전도 이론을 개발했습니다.[37]
위상 전이와 임계 현상이라고 하는 관측 가능한 것의 임계 행동에 대한 연구는 1960년대에 주요 관심 분야였습니다.[39] 레오 카다노프(Leo Kadanoff), 벤자민 위돔(Benjamin Widom), 마이클 피셔(Michael Fisher)는 임계 지수와 위돔 스케일링(widom scaling)의 아이디어를 개발했습니다 이러한 아이디어는 1972년 케네스 G. 윌슨에 의해 양자장 이론의 맥락에서 재규격화 그룹의 형식주의 하에 통일되었습니다.[39]
양자 홀 효과는 1980년 Klaus von Klitzing, Dorda, Pepper에 의해 홀 컨덕턴스가 기본 상수 e e의 정수배임을 관찰했을 때 발견되었습니다. (그림 참조) 그 효과는 시스템 크기와 불순물 등의 매개변수와는 무관한 것으로 관찰되었습니다.[38] 1981년 이론가 로버트 로플린은 적분 고원의 예상치 못한 정밀도를 설명하는 이론을 제안했습니다. 또한 홀 컨덕턴스는 체른 수(Chern number)라는 위상 불변량에 비례한다는 것을 의미하며, 고체의 밴드 구조에 대한 관련성은 David J에 의해 공식화되었습니다. 영혼이 없고 협력자입니다.[40][41]: 69, 74 얼마 지나지 않아 1982년 호르스트 슈토르머와 다니엘 추이는 분획 양자 홀 효과를 관찰했는데, 이때 전도도는 상수 의 유리 배수였습니다 1983년 로플린, 이것이 홀 주에서 준입자 상호작용의 결과라는 것을 깨닫고 로플린 파동함수라는 이름의 변형 방법 솔루션을 공식화했습니다.[42] 프랙셔널 홀 효과의 위상학적 특성에 대한 연구는 여전히 활발한 연구 분야로 남아 있습니다.[43] 수십 년 후, 앞서 언급한 위상 밴드 이론은 데이비드 J에 의해 발전되었습니다. 툴리스와 협력자들은[44] 위상 절연체의 발견으로 더욱 확장되었습니다.[45][46]
1986년 칼 뮐러와 요하네스 베드노르츠는 39 켈빈의 고온에서 초전도하는 최초의 고온 초전도체 LaBaCuO를2-xx4 발견했습니다. [47] 고온 초전도체는 전자와 전자의 상호작용이 중요한 역할을 하는 강한 상관관계가 있는 물질의 예라는 것을 깨달았습니다.[48] 고온 초전도체에 대한 만족스러운 이론적 설명은 여전히 알려져 있지 않으며 상관관계가 강한 물질 분야는 계속해서 활발한 연구 주제입니다.
2012년, 몇몇 그룹은 사마륨 헥사보라이드가 이전의 이론적 예측에 따라 위상 절연체의[49] 특성을 가지고 있음을 시사하는 사전 인쇄를 발표했습니다.[50] 사마륨 헥사보라이드는 확립된 콘도 절연체, 즉 강한 상관관계를 갖는 전자 물질이기 때문에, 이 물질에 위상 디랙 표면 상태가 존재하면 강한 전자 상관관계를 갖는 위상 절연체로 이어질 것으로 예상됩니다.
이론적
이론적 응축 물질 물리학은 물질 상태의 특성을 이해하기 위해 이론적 모델을 사용하는 것을 포함합니다. 여기에는 Drude 모델, 밴드 구조 및 밀도 함수 이론과 같은 고체의 전자적 특성을 연구하기 위한 모델이 포함됩니다. 긴츠부르크-란다우 이론, 임계 지수, 양자장 이론 및 재규격화 그룹의 수학적 방법 사용과 같은 상전이의 물리학을 연구하기 위한 이론 모델도 개발되었습니다. 현대 이론 연구는 전자 구조의 수치 계산과 수학적 도구를 사용하여 고온 초전도성, 위상 위상 및 게이지 대칭과 같은 현상을 이해하는 것을 포함합니다.
출현
응축 물질 물리학의 이론적 이해는 입자의 복잡한 집합체가 개별 구성 요소와 극적으로 다른 방식으로 행동하는 출현 개념과 밀접한 관련이 있습니다.[37][43] 예를 들어 개별 전자와 격자의 미시 물리학은 잘 알려져 있지만 고온 초전도와 관련된 다양한 현상은 잘 이해되지 않습니다.[51] 마찬가지로 집단 여기가 광자와 전자처럼 행동하는 응축 물질 시스템의 모델이 연구되어 전자기학을 새로운 현상으로 묘사했습니다.[52] 새로운 특성은 재료 사이의 계면에서도 발생할 수 있습니다. 한 예로 란탄 알루민산염-스트론튬 티탄산염 계면이 있으며, 여기서 두 개의 밴드 절연체가 결합되어 전도성과 초전도성을 만듭니다.
고체의 전자이론
금속 상태는 역사적으로 고체의 특성을 연구하는 데 중요한 구성 요소였습니다.[53] 금속에 대한 최초의 이론적 설명은 1900년에 폴 드루드가 드루드 모델로 발표했는데, 이 모델은 금속을 당시 새로 발견된 전자의 이상 기체로 설명함으로써 전기적, 열적 특성을 설명했습니다. 그는 경험적 비데만-프란츠 법칙을 유도하고 실험과 밀접하게 일치하는 결과를 얻을 수 있었습니다.[22]: 90–91 이 고전적인 모델은 전자의 페르미-디랙 통계를 통합하고 비데만-프랑츠 법칙에서 금속의 비열에 대한 비정상적인 행동을 설명할 수 있었던 아놀드 소머펠트에 의해 개선되었습니다.[22]: 101–103 1912년 막스 폰 라우에와 폴 니핑이 결정 고체의 구조를 연구하여 결정체의 X선 회절 패턴을 관찰하고 결정체가 원자의 주기적인 격자로부터 구조를 얻는다는 결론을 내렸습니다.[22]: 48 [54] 1928년 스위스의 물리학자 펠릭스 블로흐는 블로흐의 정리로 알려진 주기 퍼텐셜을 가진 슈뢰딩거 방정식에 파동함수 해를 제공했습니다.[55]
다체파 함수를 풀어서 금속의 전자적 특성을 계산하는 것은 종종 계산적으로 어렵기 때문에 의미 있는 예측을 얻기 위해서는 근사 방법이 필요합니다.[56] 토마스-1920년대에 개발된 페르미 이론은 국소 전자 밀도를 가변 파라미터로 처리하여 시스템 에너지와 전자 밀도를 추정하는 데 사용되었습니다. 1930년대 후반에 더글러스 하트리, 블라디미르 포크, 존 슬레이터는 이른바 하트리를 개발했습니다.토마스보다 향상된 Fock wave 기능을 가지고 있습니다.페르미 모델. 하트리-Fock 방법은 단일 입자 전자파 함수의 교환 통계를 설명했습니다. 일반적으로 하트리를 푸는 것은 매우 어렵습니다.가짜 방정식. 무료 전자 가스 케이스만 정확히 해결할 수 있습니다.[53]: 330–337 마침내 1964-65년에 월터 콘, 피에르 호엔버그, 루 주 샴은 금속의 부피와 표면 특성에 대한 현실적인 설명을 제공하는 밀도 함수 이론(DFT)을 제안했습니다. 밀도 함수 이론은 1970년대부터 다양한 고체의 밴드 구조 계산에 널리 사용되었습니다.[56]
대칭파괴
물질의 일부 상태는 대칭이 깨지는 것을 보여주는데, 여기서 물리학의 관련 법칙들은 깨지는 어떤 형태의 대칭을 가지고 있습니다. 일반적인 예는 연속적인 병진 대칭성을 깨는 결정성 고체입니다. 다른 예로는 회전 대칭을 깨는 자화된 강자성체와 U(1)상 회전 대칭을 깨는 BCS 초전도체의 접지 상태와 같은 더 이국적인 상태가 있습니다.[57][58]
양자장이론에서 골드스톤의 정리는 연속적인 대칭이 깨진 계에서 골드스톤 보손이라고 불리는 임의로 낮은 에너지를 가진 들뜸이 존재할 수 있다는 것을 말합니다. 예를 들어 결정질 고체에서 이들은 격자 진동의 양자화된 버전인 포논에 해당합니다.[59]
상전이
상전이는 온도, 압력 또는 몰 조성과 같은 외부 매개변수의 변화에 의해 발생하는 시스템의 상변화를 말합니다. 단일성분계에서는 계의 질서가 급격하게 변하는 온도(특정 압력에서)에서 고전적인 상전이가 일어납니다. 예를 들어 얼음이 녹아 물이 되면 얼음의 질서 있는 육각형 결정구조가 수소결합, 물 분자의 이동배열로 수정됩니다.
양자 상전이에서는 온도가 절대 0으로 설정되고, 압력이나 자기장과 같은 비열 제어 매개변수는 하이젠베르크 불확정성 원리에서 비롯된 양자 요동에 의해 질서가 파괴될 때 상전이를 일으킵니다. 여기서 시스템의 서로 다른 양자 위상은 해밀턴 행렬의 서로 다른 기저 상태를 나타냅니다. 희토류 자기 절연체, 고온 초전도체 및 기타 물질의 특성을 설명하는 어려운 작업에서 양자 상전이의 거동을 이해하는 것이 중요합니다.[60]
1차 전이와 2차 또는 연속 전이의 두 가지 단계의 위상 전이가 발생합니다. 후자의 경우 관련된 두 상은 임계점이라고도 불리는 전이 온도에서 공존하지 않습니다. 임계점 근처에서 시스템은 상관 길이, 비열 및 자기 민감도와 같은 여러 특성이 지수 함수적으로 발산하는 임계 행동을 거칩니다.[60] 이러한 중대한 현상들은 물리학자들에게 심각한 도전을 제시하는데, 그 이유는 정상적인 거시적 법칙들이 더 이상 그 지역에서 유효하지 않기 때문이며, 그 체계를 기술할 수 있는 새로운 법칙들을 찾기 위해 새로운 아이디어와 방법들이 발명되어야 하기 때문입니다.[61]: 75ff
연속적인 상전이를 설명할 수 있는 가장 간단한 이론은 이른바 평균장 근사에서 작동하는 긴즈부르크-란다우 이론입니다. 그러나, 그것은 긴 범위의 미세한 상호작용을 포함하는 강유전체와 타입 I 초전도체의 연속적인 상전이를 대략적으로 설명할 수 있을 뿐입니다. 임계점 근처의 근거리 상호작용을 포함하는 다른 유형의 시스템의 경우 더 나은 이론이 필요합니다.[62]: 8–11
임계점 근처에서 변동은 광범위한 크기 척도에 걸쳐 발생하는 반면 전체 시스템의 특징은 척도 불변입니다. 재규격화 그룹 방법은 그 효과를 다음 단계까지 유지하면서 단계적으로 가장 짧은 파장 변동을 연속적으로 평균합니다. 따라서 다양한 크기 척도에서 볼 수 있는 물리적 시스템의 변화를 체계적으로 조사할 수 있습니다. 이 방법은 강력한 컴퓨터 시뮬레이션과 함께 지속적인 상전이와 관련된 중요한 현상을 설명하는 데 크게 기여합니다.[61]: 11
실험적
실험적 응축 물질 물리학은 물질의 새로운 특성을 발견하기 위해 실험 프로브를 사용하는 것을 포함합니다. 이러한 프로브에는 전기장 및 자기장의 영향, 응답 함수 측정, 수송 특성 및 온도 측정이 포함됩니다.[63] 일반적으로 사용되는 실험 방법에는 X선, 적외선 및 비탄성 중성자 산란과 같은 프로브를 사용한 분광학, 특정 열과 같은 열 반응 연구, 열 및 열 전도를 통한 수송량 측정 등이 있습니다.
산란
몇몇 응축된 물질 실험은 X선, 광학 광자, 중성자 등과 같은 실험용 프로브를 물질의 구성 요소에 산란시키는 것을 포함합니다. 산란 프로브의 선택은 관심 있는 관찰 에너지 척도에 따라 달라집니다. 가시광선은 1전자볼트(eV) 규모의 에너지를 가지며, 유전율과 굴절률 등 물질적 성질의 변화를 측정하는 산란 탐침으로 사용됩니다. X선은 10keV 정도의 에너지를 가지고 있어서 원자 길이 척도를 조사할 수 있습니다. 그리고 전자 전하 밀도와 결정 구조의 변화를 측정하는 데 사용됩니다.[64]: 33–34
중성자는 원자 길이 척도도 조사할 수 있으며, 핵과 전자 스핀의 산란과 자화를 연구하는 데 사용됩니다(중성자가 스핀은 있지만 전하는 없는 것처럼). 쿨롱과 모트 산란 측정은 전자 빔을 산란 프로브로 사용하여 할 수 있습니다.[64]: 33–34 [65]: 39–43 마찬가지로, 양전자 소멸은 국소 전자 밀도의 간접적인 측정으로 사용될 수 있습니다.[66] 레이저 분광법은 예를 들어 비선형 광학 분광법을 가진 매질에서의 금지된 전이를 연구하기 위해 매질의 미시적 특성을 연구하기 위한 훌륭한 도구입니다.[61]
외부자기장
실험적인 응축 물질 물리학에서 외부 자기장은 물질계의 상태, 상전이, 특성을 제어하는 열역학 변수로 작용합니다.[67] 핵자기공명법(NMR)은 외부 자기장을 이용하여 개별 핵의 공명 모드를 찾아 주변의 원자, 분자 및 결합 구조에 대한 정보를 제공하는 방법입니다. 최대 60테슬라의 강도를 가진 자기장에서 NMR 실험이 가능합니다. 더 높은 자기장은 NMR 측정 데이터의 품질을 향상시킬 수 있습니다.[68]: 69 [69]: 185 양자 진동은 페르미 표면의 기하학과 같은 물질적 특성을 연구하기 위해 높은 자기장을 사용하는 또 다른 실험 방법입니다.[70] 높은 자기장은 양자화된 자기 전기 효과, 이미지 자기 단극 및 반정수 양자 홀 효과와 같은 다양한 이론적 예측의 실험적 테스트에 유용할 것입니다.[68]: 57
자기공명분광법
국소 구조와 가장 가까운 이웃 원자의 구조는 전자 상자 공명(EPR) 및 핵 자기 공명(NMR)과 같은 자기 공명 방법으로 응축된 물질에서 조사할 수 있습니다. 초미세 결합에 의한 핵과 전자 주변의 세부 사항에 매우 민감합니다. 국소화된 전자와 핵의 특정 안정적이거나 불안정한 동위원소는 모두 이러한 초미세 상호작용의 탐침이 되며, 이는 전자 또는 핵 스핀을 국소 전기장과 자기장에 결합시킵니다. 이러한 방법은 결함, 확산, 상전이 및 자기 순서를 연구하는 데 적합합니다. 일반적인 실험 방법에는 NMR, 핵 사중극 공명(NQR), 뮤온 스핀 분광법( SR), 뫼스바우어 분광법, NMR 및 교란 각도 상관법(PAC)이 포함됩니다. PAC는 방법의 온도 독립성으로 인해 2000 °C 이상의 극한 온도에서 위상 변화를 연구하는 데 특히 이상적입니다.
차가운 원자 기체
광학 격자에서의 초냉 원자 트래핑은 응축된 물질 물리학과 원자, 분자 및 광학 물리학에서 일반적으로 사용되는 실험 도구입니다. 이 방법은 광학 레이저를 사용하여 격자 역할을 하는 간섭 패턴을 형성하는 것으로 이온이나 원자를 매우 낮은 온도에 놓을 수 있습니다. 광학 격자의 차가운 원자는 양자 시뮬레이터로 사용되며, 즉 좌절된 자석과 같이 더 복잡한 시스템의 동작을 모델링할 수 있는 제어 가능한 시스템으로 작용합니다.[71] 특히, 이들은 미리 지정된 매개 변수를 가진 허버드 모델을 위한 1차원, 2차원 및 3차원 격자를 엔지니어링하고 반강자성 및 스핀 액체 순서화를 위한 위상 전이를 연구하는 데 사용됩니다.[72][73][43]
1995년에는 170nK의 온도로 냉각된 루비듐 원자의 기체를 사용하여 S. N. 보스와 알버트 아인슈타인이 원래 예측했던 새로운 물질 상태인 보스-아인슈타인 응축물을 실험적으로 실현했습니다.[74]
적용들
응축 물질 물리학의[43][75] 연구는 반도체 트랜지스터의 개발,[6] 레이저 기술,[61] 자기 저장, 액정, 광학 섬유[76] 및 나노 기술의 맥락에서 연구된 여러 현상과 같은 여러 장치 응용 분야를 탄생시켰습니다.[77]: 111ff 주사 터널링 현미경과 같은 방법은 나노미터 규모의 공정을 제어하는 데 사용될 수 있으며 나노 제작 연구의 시작이 되었습니다.[78] 예를 들어, 이러한 분자 기계는 노벨 화학상 수상자인 벤 페링가, 장 피에르 소비, 프레이저 스토다르트에 의해 개발되었습니다. 페링가와 그의 팀은 분자 자동차, 분자 풍차 등과 같은 여러 분자 기계를 개발했습니다.[79]
양자 계산에서 정보는 양자 비트, 즉 큐비트로 표현됩니다. 큐비트는 유용한 계산이 완료되기 전에 빠르게 디코딩될 수 있습니다. 이 심각한 문제는 양자 컴퓨팅이 실현되기 전에 해결되어야 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 응축 물질 물리학에서