Kapitel 2 : Physik der kondensierten Materie

Die Erforschung der makroskopischen und mikroskopischen physikalischen Eigenschaften der Materie, insbesondere der festen und flüssigen Phase, die durch elektromagnetische Kräfte zwischen Atomen und Elektronen hervorgerufen werden, ist Gegenstand des Gebiets der Physik, das als Physik der kondensierten Materie bekannt ist. Im weiteren Sinne geht es um kondensierte Phasen der Materie, also um Systeme, die aus einer Vielzahl von Bestandteilen bestehen und signifikante Wechselwirkungen zwischen ihnen aufweisen. Die supraleitende Phase, die von bestimmten Materialien bei extrem niedrigen kryogenen Temperaturen gezeigt wird, die ferromagnetischen und antiferromagnetischen Phasen von Spins auf Kristallgittern von Atomen, die Bose-Einstein-Kondensate, die in ultrakalten atomaren Systemen vorkommen, und Flüssigkristalle sind einige Beispiele für exotischere kondensierte Phasen. Experimente werden verwendet, um eine Vielzahl von Materialeigenschaften zu messen, und die physikalischen Gesetze der Quantenmechanik, des Elektromagnetismus, der statistischen Mechanik und anderer physikalischer Theorien werden angewendet, um mathematische Modelle zu entwickeln und die Eigenschaften extrem großer Atomgruppen vorherzusagen. Das Ziel der Physiker der kondensierten Materie ist es, das Verhalten dieser Phasen zu verstehen.

Ein Drittel aller amerikanischen Physiker betrachtet sich selbst als Physiker der kondensierten Materie, und die Division of Condensed Matter Physics ist die größte Abteilung der American Physical Society. Dies liegt an der Tatsache, dass die Physik der kondensierten Materie aufgrund der Vielzahl von Systemen und Phänomenen, die für die Untersuchung zur Verfügung stehen, das aktivste Gebiet der zeitgenössischen Physik ist. Festkörperphysiker und Physiker der weichen Materie sind Vertreter dieser Gruppe. Diese Physikerinnen und Physiker erforschen die quanten- bzw. nicht-quantenphysikalischen Aspekte der Materie. Diese beiden Arten von Organisationen untersuchen eine Vielzahl von Materialien, woraus sich zahlreiche Möglichkeiten für Forschung, Finanzierung und Beschäftigung ergeben. Es besteht eine direkte Verbindung zwischen diesem Thema und der Atomphysik und Biophysik sowie Überschneidungsbereiche mit Chemie, Materialwissenschaften, Ingenieurwissenschaften und Nanotechnologie. Es ist wichtig zu beachten, dass die theoretische Physik der kondensierten Materie der theoretischen Physik der Kernphysik und der Teilchenphysik ähnelt, sowohl was die Konzepte als auch die Methoden betrifft.

Bis in die 1940er Jahre galten eine Vielzahl von physikalischen Themen, darunter Kristallographie, Metallurgie, Elastizität, Magnetismus und andere, als separate Studiengebiete. In diesem Jahrzehnt wurden diese Themen jedoch zusammengeführt und erhielten den Namen Festkörperphysik. In den 1960er Jahren wurde diese Liste um die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten erweitert. Diese Studie diente als Grundlage für das umfangreichere Gebiet der Physik der kondensierten Materie, das danach gegründet wurde. Auf dem Gebiet der Physik der kondensierten Materie können die Bell Telephone Laboratories als eines der wegweisenden Institute angesehen werden, die ein Forschungsprogramm initiiert haben. Laut dem Gründungsdirektor des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung, Physikprofessor Manuel Cardona, war es Albert Einstein, der das moderne Gebiet der Physik der kondensierten Materie begründete, beginnend mit seinem bahnbrechenden Artikel über den photoelektrischen Effekt und die Photolumineszenz von 1905, der die Bereiche der Photoelektronenspektroskopie und Photolumineszenzspektroskopie eröffnete, und später seinem Artikel von 1907 über die spezifische Wärme von Festkörpern, der Zum ersten Mal wurde der Einfluss von Gitterschwingungen auf die thermodynamischen Eigenschaften von Kristallen, insbesondere die spezifische Wärme, untersucht. In seiner Arbeit über die synthetische Geschichte der Quantenmechanik stellt A. Douglas Stone, stellvertretender Direktor des Yale Quantum Institute, einen ähnlichen Prioritätsfall für Einstein vor.

Der Physiker Philip Warren Anderson behauptet, dass er und Volker Heine auf die Idee gekommen sind, den Begriff "kondensierte Materie" für ein Forschungsgebiet zu verwenden. Dies geschah 1967, als sie den Namen ihrer Gruppe an den Cavendish Laboratories in Cambridge von Festkörpertheorie in Theorie der kondensierten Materie änderten. Sie glaubten, dass dieser Name ihr Interesse an Flüssigkeiten, nuklearer Materie und anderen verwandten Themen besser widerspiegelte. Trotz der Tatsache, dass Anderson und Heine maßgeblich zur Popularisierung des Begriffs "kondensierte Materie" beitrugen, war der Begriff in Europa bereits seit einigen Jahren in Gebrauch, vor allem in der Springer-Verlagszeitschrift Physics of Condensed Matter, die erstmals 1963 veröffentlicht wurde. Der Name "Physik der kondensierten Materie" wurde gewählt, um die Tatsache hervorzuheben, dass Physiker, die sich mit Festkörpern, Flüssigkeiten, Plasmen und anderer komplizierter Materie beschäftigen, vor ähnlichen wissenschaftlichen Herausforderungen stehen. Auf der anderen Seite wurde der Begriff "Festkörperphysik" häufig mit begrenzten industriellen Einsatzmöglichkeiten von Metallen und Halbleitern in Verbindung gebracht. In den 1960er und 1970er Jahren gab es Physiker, die der Meinung waren, dass der allumfassendere Name besser zum damaligen Finanzierungsumfeld und zur Politik des Kalten Krieges passte.

Hinweise auf Zustände, die "verdichtet" sind, finden sich in Literatur, die weiter zurückreicht. So schlug beispielsweise Yakov Frenkel in der Einleitung zu seinem Buch "Kinetische Theorie der Flüssigkeiten" vor, dass "die kinetische Theorie der Flüssigkeiten dementsprechend als Verallgemeinerung und Erweiterung der kinetischen Theorie der Festkörper entwickelt werden muss. Tatsächlich wäre es jedoch richtiger, sie unter dem Titel 'verdichtete Körper' zu vereinen." Frenkels Buch erschien 1947.

In den ersten Jahrzehnten des neunzehnten Jahrhunderts war der englische Wissenschaftler Humphry Davy für eine der frühesten Untersuchungen der kondensierten Formen der Materie verantwortlich. Von den vierzig chemischen Elementen, die zu dieser Zeit bekannt waren, machte Davy die Beobachtung, dass sechsundzwanzig von ihnen metallische Eigenschaften haben. Zu diesen Eigenschaften gehörten Glanz, Duktilität sowie hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Im Ergebnis wurde klar, dass die Atome in John Daltons Atomtheorie im Gegensatz zu dem, was Dalton angenommen hatte, nicht unteilbar waren, sondern eine innere Struktur besaßen. Darüber hinaus behauptete Davy, dass Elemente, die zu dieser Zeit für Gase gehalten wurden, wie Stickstoff und Wasserstoff, unter den entsprechenden Bedingungen verflüssigt werden könnten und dann als Metalle fungieren würden.

Michael Faraday, der zu dieser Zeit als Assistent in Michael Davys Laboratorium arbeitete, konnte im Jahr 1823 erfolgreich Chlor verflüssigen. Er verflüssigte alle bekannten gasförmigen Elemente mit Ausnahme von Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Kurz danach, im Jahr 1869, forschte ein irischer Chemiker namens Thomas Andrews über den Phasenübergang von einer Flüssigkeit zu einem Gas. Er erfand den Begriff "kritischer Punkt", um den Zustand zu beschreiben, in dem ein Gas und eine Flüssigkeit nicht als Phasen unterschieden werden konnten. Darüber hinaus lieferte ein niederländischer Physiker namens Johannes van der Waals den theoretischen Rahmen, der die Vorhersage des kritischen Verhaltens auf der Grundlage von Messungen bei deutlich höheren Temperaturen ermöglichte. Als das Jahr 1908 heranrollte, hatten James Dewar und Heike Kamerlingh Onnes ihr damals gerade gefundenes Ziel erreicht, Wasserstoff und Helium erfolgreich zu verflüssigen.

Ein klassisches Elektron, das ein metallisches Material durchdringt, war Gegenstand des ersten theoretischen Modells, das von Paul Drude im Jahr 1900 vorgeschlagen wurde. Drudes Modell war das erste mikroskopische Modell, das empirische Daten wie das Wiedemann-Franz-Gesetz erklären konnte. Es definierte das Verhalten von Metallen in Form eines Gases aus freien Elektronen und war das erste Modell, das dies tat. Auf der anderen Seite hatte das Modell von Drude trotz des Erfolgs einen erheblichen Fehler: Es war nicht in der Lage, den elektronischen Beitrag zu den spezifischen Wärme- und Magneteigenschaften von Metallen sowie die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands bei niedrigen Temperaturen angemessen zu erklären.

Innerhalb von drei Jahren nach der ersten Verflüssigung von Helium machte Onnes, der damals an der Universität Leiden arbeitete, 1911 die Entdeckung der Supraleitung im Quecksilber. Er machte diese Entdeckung, als er feststellte, dass der elektrische Widerstand von Quecksilber bei Temperaturen unterhalb einer bestimmten Schwelle verschwand. Mehrere Jahrzehnte lang blieb das Phänomen ein Rätsel, obwohl es die versiertesten theoretischen Physiker der damaligen Zeit völlig überrascht hatte. "Mit unserer weitgehenden Unkenntnis der Quantenmechanik zusammengesetzter Systeme sind wir sehr weit davon entfernt, aus diesen nebulösen Begriffen eine Theorie zusammensetzen zu können", bemerkte Albert Einstein 1922 in Bezug auf zeitgenössische Theorien der Supraleitung. Er bezog sich auf die Tatsache, dass wir nicht einmal annähernd in der Lage sind, dies zu tun.

Eine Reihe von Physikern, darunter Wolfgang Pauli, Arnold Sommerfeld, Felix Bloch und andere, trugen zur Entwicklung des klassischen Drude-Modells bei. Pauli war es, der zu der Erkenntnis kam, dass die Fermi-Dirac-Statistik von den freien Elektronen im Metall befolgt werden muss. Dieses Konzept war die...