در فیزیک ماده چگال، به مطالعه ماده، در طیف تقریباً نامحدود حالات چگال آن پرداخته میشود: از مایعات تا جامدات بلوری، از فیلمهای نازک تا نانوساختارهای ساختهشده یا سنتز شیمیایی، از گازهای الکترونی کوانتوم هال تا ابررساناها، از نانولولههای کربنی تا کریستالهای مایع، و از ساختارهای آمورف تا سیالات پیچیده.
هدف این شاخه از فیزیک هم روشن کردن مسائل بنیادی پشت خواص شگفتانگیز این سیستمها است و هم نشان دادن پتانسیل آنها برای کاربردهای مفید در حوزههای مختلف، از الکترونیک تا زیستشناسی و پزشکی.
فیزیک ماده چگال پایه بسیاری از دستگاههای کلیدی فناوری اطلاعات است، از جمله ترانزیستور، لیزر حالت جامد، فیبر نوری، رسانههای ذخیرهسازی مغناطیسی و نمایشگر کریستال مایع.
فیزیک ماده چگال سخت به مطالعه خواص کوانتومی مواد میپردازد. این حوزه معمولاً شامل مواد بلوری، شیشهها، فلزات، نیمههادیها و اکسیدها میشود که تحت تأثیر نیروهای اتمی و مکانیک کوانتومی قرار دارند.
فیزیک ماده چگال نرم به مطالعه مواد مختلفی میپردازد که در مقیاس ماکروسکوپی تشکیل میشوند، اغلب از مولکولهای زیستی یا آلی. این مواد معمولاً تحت تأثیر نیروهای مکانیکی ضعیف و نیروهای انتروپی قرار دارند.
اصطلاح فیزیک ماده چگال نخستین بار در سال ۱۹۶۷ توسط فیزیکدانان برجسته فیلیپ اندرسون و ولکر هاینه در دانشگاه کمبریج مطرح شد. آنها نام گروه خود را از «فیزیک حالت جامد» به «فیزیک ماده چگال» تغییر دادند، زیرا معتقد بودند این نام جدید گسترهی بیشتری از موضوعات مانند مایعات و حتی ماده هستهای را در بر میگیرد.
در حالی که «فیزیک حالت جامد» بیشتر با کاربردهای صنعتی مانند نیمهرساناها و فلزات شناخته میشد، اصطلاح «ماده چگال» بر اشتراک مسائل علمی میان فیزیکدانان فعال در زمینه جامدات، مایعات، پلاسما و مواد پیچیده تأکید داشت.
در این شاخه از فیزیک، دانشمندان با استفاده از ابزارهای پیشرفتهای مانند پرتو ایکس، نوترونها و میدانهای مغناطیسی، به دنیای پنهان اتمها سرک میکشند تا رفتار کلان مواد را درک کنند. زمینههای پژوهشی این شاخه، پدیدههایی از ابررسانایی و مواد کوانتومی گرفته تا ماده نرم مانند پلیمرها و کریستالهای مایع را در بر میگیرد.
فیزیک نظری ماده چگال از مدلهای ریاضی، مکانیک آماری و روشهای محاسباتی استفاده میکند تا خواص ماکروسکوپی و پدیدار شوندهی مواد، چه “سخت” (مانند جامدات و مواد کوانتومی) و چه “نرم” (مانند مایعات و پلیمرها)، را درک کند. این حوزه به بررسی پدیدههای جمعی ناشی از تعداد بسیار زیادی ذرهی کوانتومی یا کلاسیکی در حال تعامل میپردازد و کاربردهایی در زمینههایی چون ابررساناهای دمای بالا، عایقهای توپولوژیک، گرافین و کریستالهای مایع دارد.
فیزیک ماده چگال محاسباتی از روشهای عددی و شبیهسازیهای کامپیوتری برای مطالعه خواص فیزیکی جامدات و مواد – از جمله خواص الکتریکی، مغناطیسی، گرمایی و گذارهای فازی – استفاده میکند. یکی از تکنیکهای کلیدی در این زمینه، محاسبات Ab initio بهویژه نظریه تابع چگالی (DFT) است که به پژوهشگران امکان میدهد مواد را از پایه و بدون نیاز به دادههای آزمایشی مدلسازی کنند.
چگالش بوز–اینشتین حالتی از ماده است که در آن تمام ذرات تشکیلدهنده در پایینترین سطح انرژی خود قرار میگیرند. اصل طرد پائولی مانع از آن میشود که بیش از یک الکترون (نمونهای از فرمیون) در هر حالت کوانتومی قرار گیرد؛ اما چنین محدودیتی برای ذراتی که بوزون نامیده میشوند، مانند اتمهای هلیوم-۴ وجود ندارد.
خواص و مواد الکترونیکی شاخهای از فیزیک مادهٔ چگال است که به بررسی ویژگیهای الکترونی مواد میپردازد. این حوزه شامل مطالعهٔ هدایت الکتریکی، گاف انرژی، تحرک حاملهای بار و نقش ساختار بلوری در رفتار الکترونی مواد است. کاربرد آن در فناوریهای نیمههادی، مواد نوری–الکترونیکی و میکروالکترونیک بسیار گسترده است.
مواد فروالکتریک و چندفروئی دستهای از مواد هستند که تحت تأثیر میدان خارجی، خواص فیزیکی خود را تغییر میدهند. فروالکتریکها در اثر اعمال میدان الکتریکی، قطبش الکتریکی قابلسوئیچ دارند. چندفروئیها رفتاری مشابه «فروئی» را در دو یا چند خاصیت خود (معمولاً الکتریکی، مغناطیسی یا کشسانی) نشان میدهند.
فرومغناطیس نوعی نظم مغناطیسی است که در آن ممانهای مغناطیسی درونی یا اسپینهای الکترونها در هر سایت شبکهٔ بلوری همگی در یک جهت تراز میشوند. این پدیده مسئول خاصیت مغناطیسی موادی مانند آهن، کبالت و نیکل است.
خواص و مواد مغناطیسی شامل بررسی ویژگیهای مغناطیسی مواد و سازوکارهایی است که باعث ایجاد رفتارهای مختلف مانند فرومغناطیس، پادفرومغناطیس و فرومغناطیس ضعیف میشوند. این حوزه برای درک پدیدههای اسپین، طراحی حافظههای مغناطیسی و توسعهٔ مواد جدید با پاسخ مغناطیسی ویژه اهمیت زیادی دارد.
الکترونیک مولکولی استفاده از مولکولها بهعنوان بلوکهای اصلی مدارهای الکترونیکی است. امید میرود که این رویکرد مولکولی ساخت مدارهایی بسیار کوچکتر از آنچه با نیمههادیهای متداول مانند سیلیکون امکانپذیر است را فراهم کند. حرکت الکترونها در چنین ابزارهایی ذاتاً تحت قوانین مکانیک کوانتومی کنترل میشود.
گذارهای فازی و پدیدههای بحرانی به تغییر یک سامانه از یک رژیم یا حالت به حالت دیگر با خواص کاملاً متفاوت اشاره دارند و شامل اثرات غیرعادیای هستند که در مرز میان این حالات رخ میدهد. تغییر حالت ماده، مانند گذار از جامد به مایع، یک نمونهٔ کلاسیک از این پدیدههاست.
سیالات و جامدات کوانتومی موادی هستند که در آنها برهمکنش میان اتمها یا مولکولها تحت قوانین مکانیک کوانتومی قرار دارد. ویژگیهای این مواد بهشدت تحت تأثیر حرکت اتمها حتی در پایینترین حالت انرژی (معروف به حرکت نقطه-صفر) قرار دارد.
اثر هال کوانتومی نسخهٔ کوانتومی اثر هال است: ولتاژی که هنگام حرکت الکترونها در یک میدان مغناطیسی تولید میشود. در مواد دوبعدی و در دماهای پایین، ماهیت کوانتومی این پدیده بهصورت پلههایی در ولتاژ هال هنگام افزایش میدان مغناطیسی آشکار میشود.
نیمههادیها موادی هستند که دارای گاف انرژی الکترونی کوچکاند. این گاف انرژی مانع از جریان یافتن جریان الکتریکی در صفر مطلق میشود، اما حاملهای باری که بهطور گرمایی برانگیخته شدهاند میتوانند در دماهای بالاتر جریان ایجاد کنند. نیمههادیها، بهویژه سیلیکون، قلب صنعت میکروالکترونیک مدرن را تشکیل میدهند و همچنین در منابع و آشکارسازهای نوری کاربرد دارند.
اسپینترونیک استفاده از خاصیت بنیادی ذرات به نام اسپین برای پردازش اطلاعات است. از بسیاری جهات، اسپینترونیک شبیه به الکترونیک است که در آن از بار الکتریکی الکترون استفاده میشود. حمل اطلاعات همزمان در بار و اسپین الکترون میتواند ابزارهایی با تنوع عملکردی بسیار بیشتر فراهم کند.
ساختار جامدات و مایعات به مطالعهٔ ویژگیهای فیزیکی مادهای میپردازد که در آن برهمکنش غیرقابلچشمپوشی بین اتمها یا مولکولهای تشکیلدهنده وجود دارد. در حالی که اتمها یا مولکولها در مایع آزادانه حرکت میکنند، در جامدات حرکت آنها به ارتعاش در اطراف یک نقطهٔ ثابت محدود میشود.
خواص و مواد ابررسانا به بررسی موادی میپردازد که میتوانند در دماهای پایین، جریان الکتریکی را بدون هیچ مقاومتی هدایت کنند. این شاخه شامل مطالعهٔ ویژگیهای بنیادی ابررسانایی، طراحی مواد ابررسانای جدید و کاربردهای آن در زمینههایی چون آهنرباهای قوی، انرژی پاک و رایانش کوانتومی است.
سطوح، فصلمشترکها و لایههای نازک ساختارهای مسطحی هستند که در مرز یک ماده یا در محل اتصال میان دو محیط متفاوت بهوجود میآیند. فیزیک این سامانهها اغلب بهشدت تحت تأثیر ماهیت دوبعدی آنها قرار دارد.
مادهٔ توپولوژیک به سامانههایی اشاره دارد که برای توصیف ویژگیهای آنها نیاز به توپولوژی است. این شامل موادی با نقصهای توپولوژیک مانند اسکایرمینها یا مدهای لبهای توپولوژیک محافظتشده است، مانند عایقهای توپولوژیک و فازهای توپولوژیک حفاظتشده توسط تقارن، از جمله عایقهای بلوری توپولوژیک و نیمهرساناهای دیراک/وِیل.
اختراع ترانزیستور بر پایهی مواد نیمههادی مانند سیلیکون، مستقیماً از دستاوردهای فیزیک ماده چگال نشأت گرفته و اساس تمام الکترونیک مدرن را شکل داده است.
از ریزپردازندههای موجود در رایانهها و تلفنهای هوشمند گرفته تا تجهیزات الکترونیکی روزمره، همگی حاصل شناخت رفتار الکترونها در مواد جامد هستند.
درک رفتار ماده در سطح اتمی، زمینهساز توسعهی لیزرها و فیبرهای نوری شده است که امروز ستون اصلی ارتباطات مدرن را تشکیل میدهند.
پژوهشهای ماده چگال زمینهساز تولید مواد کامپوزیتی با استحکام و کارایی بالا شده که در صنایع مختلف از هوافضا تا عمران کاربرد دارند.
پیشرفت در شناخت ساختار مواد باعث بهبود بازده سلولهای خورشیدی و توسعهی فناوریهای انرژی پاک شده است.
مطالعه و ساخت مواد در مقیاس نانو، از جمله گرافین، نمونهای از کاربردهای مستقیم فیزیک ماده چگال است که منجر به پیدایش خواص نو و کاربردهای گسترده شده است.
فناوری نمایشگرهای LCD در تلویزیونها و نمایشگرهای دیجیتال نتیجهی کشف و درک رفتار بلورهای مایع در این حوزه است.
طراحی مواد نوین با رسانایی بالا و مقاومت کمتر، مسیر را برای سامانههای انتقال برق کارآمدتر هموار کرده است.
بسیاری از مفاهیم پایهای مورد استفاده در ساخت رایانههای کوانتومی از فیزیک ماده چگال سرچشمه میگیرند.
این فناوری در ساخت شتابدهندههای ذرات، قطارهای شناور مغناطیسی (Maglev) و سامانههای انتقال انرژی آینده کاربرد دارد.
فناوریهایی مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) بر پایهی اصول فیزیک ماده چگال و رفتار مغناطیسی مواد عمل میکنند.
بررسی نقصها و مراکز فعال در مواد، مانند مراکز NV در الماس، به ساخت حسگرهایی فوقحساس برای اندازهگیری میدانهای مغناطیسی و الکتریکی منجر شده است.
چه مطلبی میخوای؟ اینجا بنویس...
قبل از دیگران، بروزترین آموزش را در ایمیل خود دریافت کنید و از اخبار ما مطلع شوید.