Vật lý vật chất ngưng tụ

Từ vật lý cổ điển

Một trong những nghiên cứu đầu tiên về trạng thái ngưng tụ của vật chất thực hiện bởi nhà hóa học người Anh Humphry Davy, khi ông khám phá ra trong 40 nguyên tố hóa học được biết thời đó có 26 nguyên tố có tính kim loại như ánh kim, độ dẻo cũng như tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao. Điều này cho thấy các nguyên tử trong lý thuyết nguyên tử của Dalton không phải là không thể chia được như Dalton đề cập, mà thay vào đó chúng có cấu trúc bên trong. Davy còn cho rằng các nguyên tố từng được coi là chất khí, như nitơ và hiđrô có thể hóa lỏng dưới những điều kiện phù hợp và có thể xuất hiện tính kim loại.
Năm 1823, Michael Faraday, lúc đó là trợ lý trong phòng thí nghiệm của Davy, đã hóa lỏng thành công clo cũng như mọi nguyên tố khí được biết thời đó, ngoại trừ nitơ, hiđrô và ôxy. Ngay sau đó vào năm 1869, nhà hóa học người Ireland Thomas Andrews nghiên cứu sự chuyển pha từ chất lỏng thành chất khi và ông đưa ra thuật ngữ điểm giới hạn nhằm miêu tả điều kiện khi mà chất khí và chất lỏng không thể phân biệt được thành những pha rõ ràng, và nhà vật lý người Hà Lan Johannes van der Waals đã đưa ra một khuôn khổ lý thuyết cho phép tiên đoán hành xử của vật chất tại điểm giới hạn dựa trên những đo đạc tại nhiệt độ cao hơn giới hạn này. Năm 1908, James Dewar và H. Kamerlingh Onnes đã hóa lỏng thành công hiđrô và khí mới được phát hiện là heli.
Paul Drude đề xuất mô hình lý thuyết đầu tiên cho electron theo miêu tả cổ điển chuyển động trong chất rắn kim loại. Mô hình của Drude miêu tả các tính chất của kim loại theo ngôn ngữ của một khí electron tự do, và là mô hình vi mô đầu tiên cố gắng giải thích các quan sát thực nghiệm như định luật Wiedemann–Franz. Tuy vậy, mặc dù mô hình electron tự do của Drude có những thành công nhất định, nó đã gặp phải một vấn đề lớn đó là lý thuyết không thể giải thích chính xác sự đóng góp của electron vào nhiệt dung của kim loại, cũng như sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở trong điều kiện nhiệt độ thấp.
Năm 1911, chỉ ba năm sau khi heli được hóa lỏng, Onnes đang làm việc tại Đại học Leiden khám phá ra tính siêu dẫn của thủy ngân, khi ông quan sát điện trở của nguyên tố này đột ngột biến mất khi nhiệt độ của thủy ngân giảm xuống dưới một giá trị xác định. Hiện tượng này hoàn toàn gây ra sự ngạc nhiên đối với cộng đồng vật lý thời đó, và nó vẫn chưa được giải thích trong vài thập kỷ về sau. Albert Einstein, năm 1922, nói về những lý thuyết đương thời về tính siêu dẫn là "khi chúng ta chưa có một lý thuyết cơ học lượng tử về những hệ phức hợp thì còn xa mới có một lý thuyết giải thích cho những ý tưởng mơ hồ này".

Đến cơ học lượng tử

Mô hình cổ điển của Drude bị phê bình bởi Felix Bloch, Arnold Sommerfeld, và độc lập bởi Wolfgang Pauli, khi họ dùng cơ học lượng tử nhằm miêu tả chuyển động của electron lượng tử trong dàn tinh thể nguyên tử. Đặc biệt, lý thuyết của Sommerfeld tính đến thống kê Fermi–Dirac mà các electron tuân theo và giải thích một cách tốt hơn tính dẫn điện và nhiệt dung của kim loại. Max von Laue và Paul Knipping nghiên cứu cấu trúc của tinh thể chất rắn khi họ thực hiện quan sát hiệu ứng nhiễu xạ tia X trên tinh thể, và kết luận rằng các tinh thể có cấu trúc tuần hoàn từ các dàn nguyên tử. Mô hình toán học của cấu trúc tinh thể được Auguste Bravais, Yevgraf Fyodorov và những người khác phát triển bằng cách phân loại tinh thể theo nhóm đối xứng tương ứng, và bảng cấu trúc tinh thể là cơ sở cho các tập Bảng phân loại Quốc tế của Tinh thể học, xuất bản đầu tiên vào năm 1935. Tính toán cấu trúc dải electron lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1930 nhằm tiên đoán các tính chất của vật liệu mới, và năm 1947 John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley sáng chế ra chất bán dẫn đầu tiên-cơ sở của transistor, khai sinh ra cuộc cách mạng điện tử học.
Năm 1879, Edwin Herbert Hall đang giảng dạy tại Đại học Johns Hopkins phát hiện ra sự xuất hiện của một hiệu điện thế trong bản kim loại đang có dòng điện chạy qua khi áp dụng một từ trường vuông góc với dòng điện này. Hiện tượng này xuất hiện từ bản chất của các hạt mang dòng điện trong vật dẫn được gọi là hiệu ứng Hall, nhưng nó đã không được giải thích đúng đắn tại thời đó do electron chỉ được phát hiện bằng thực nghiệm vào 18 năm sau đó. Sau khi cơ học lượng tử hình thành, Lev Landau vào năm 1930 đã tiên đoán sự lượng tử hóa của sự dẫn điện Hall đối với các electron giới hạn trong hai chiều không gian. và kết quả này được miêu tả cụ thể bởi Ando, Matsumoto, và Uemura năm 1975.
Vật liệu từ đã được biết đến từ thời cổ đại. Tuy vậy các nghiên cứu hiện đại về từ học chỉ bắt đầu từ những phát triển của điện động lực học bởi Faraday, Maxwell và những người khác trong thế kỷ 19, bao gồm việc phân loại vật liệu từ thành sắt từ, thuận từ và nghịch từ dựa trên sự đáp ứng của vật liệu khi bị từ hóa. Pierre Curie nghiên cứu sự phụ thuộc của từ hóa vào nhiệt độ và khám phá ra điểm Curie của sự chuyển pha trong vật liệu sắt từ. Năm 1906, Pierre Weiss giới thiệu khái niệm đômen từ nhằm giải thích những tính chất chính của sắt từ. Cố gắng đầu tiên trong lý thuyết vi mô về từ học được Wilhelm Lenz và Ernst Ising phát triển thông qua mô hình Ising khi miêu tả vật liệu từ chứa dàn spin tuần hoàn khi tập hợp lại tạo thành sự từ hóa. Mô hình Ising giải thích chính xác sự từ hóa tự phát không thể xuất hiện trong một chiều nhưng có thể xuất hiện ở những chiều cao hơn trong dàn tinh thể. Những nghiên cứu tiếp theo như bởi Bloch về sóng spin và bởi Néel về phản sắt từ dẫn đến sự phát triển của những vật liệu từ mới trong những ứng dụng hiện đại như thiết bị lưu trữ từ tính trong các ổ cứng máy tính.

Lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết của vật lý vật chất ngưng tụ bao gồm sử dụng các mô hình lý thuyết nhằm hiểu được tính chất của trạng thái vật chất. Chúng bao gồm các mô hình nghiên cứu tính chất điện từ của chất rắn, như mô hình Drude, lý thuyết vùng năng lượng và lý thuyết phiếm hàm mật độ. Mô hình lý thuyết cũng được phát triển để nghiên cứu vật lý của sự chuyển pha, như lý thuyế Ginzburg–Landau, lũy thừa tới hạn (critical exponent) và sử dụng các kỹ thuật toán học của lý thuyết trường lượng tử và nhóm tái chuẩn hóa. Các nghiên cứu lý thuyết hiện đại cũng thực hiện trên các mô phỏng số về cấu trúc điện tử và các công cụ toán học nhằm hiểu các hiện tượng như siêu dẫn nhiệt độ cao, pha tô pô và đối xứng chuẩn (gauge symmetry).

Sự nổi lên

Hiểu biết lý thuyết của vật lý vật chất ngưng tụ có liên hệ gần gũi với khái niệm "sự nổi lên" (emergence), trong đó một hệ phức tạp tập hợp từ nhiều hạt hành xử theo tính chất khác hoàn toàn so với tính chất của từng hạt thành phần. Ví dụ, các hiện tượng liên quan đến siêu dẫn nhiệt độ cao chưa được hiểu đầy đủ, mặc dù các nhà vật lý biết khá đầy đủ về tính chất vi mô của từng electron riêng lẻ cũng như của dàn tinh thể. Tương tự, mô hình về các hệ vật chất ngưng tụ được nghiên cứu dưới dạng các giả hạt có hành trạng tương tự như photon và electron, và do đó miêu tả điện từ học như là một hiện tượng nổi lên (an emergent phenomenon). Tính chất nổi lên cũng xuất hiện tại những mặt tiếp xúc giữa các vật liệu: ví dụ như mặt tiếp xúc giữa lantan-nhôm-stronti-titan, nơi hai chất không cách từ (non-magnetic insulator) được nối lại tạo ra tính dẫn điện, siêu dẫn, và sắt từ.

Thực nghiệm

Lĩnh vực thực nghiệm của vật lý vật chất ngưng tụ chứa đựng cách dùng các thí nghiệm thăm dò để phát hiện ra những tính chất mới của vật liệu. Các thí nghiệm bao gồm các hiệu ứng liên quan đến điện trường và từ trường, đo giá trị của hàm đáp ứng (response function), tính chất vận chuyển (transport properties) và đo nhiệt độ. Các kỹ thuật thường sử dụng là phổ học, sử dụng kỹ thuật phổ tia X, phổ hồng ngoại và tán xạ phi đàn hồi neutron; nghiên cứu sự đáp ứng nhiệt, như nhiệt dung và đo lường quá trình vận chuyển thông qua sự dẫn nhiệt và nhiệt lựong.

Từ trường ngoài

Trong thực nghiệm của vật lý vật chất ngưng tụ, các từ trường ngoài tác dụng như là các biến nhiệt động lực học (thermodynamic variable) điều khiển trạng thái, sự chuyển pha và các tính chất của hệ vật liệu. Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là kỹ thuật sử dụng từ trường ngoài để tìm ra các mốt (mode) cộng hưởng của từng electron, từ đó thu được thông tin về nguyên tử, phân tử và cấu trúc liên kết của các electron lân cận. Thí nghiệm NMR có thể thực hiện trong từ trường có cường độ mạnh tới 65 Tesla. Dao động lượng tử (quantum oscillations) là một kỹ thuật thực nghiệm khác khi sử dụng từ trường mạnh để nghiên cứu tính chất vật liệu như hình học của bề mặt Fermi. Hiệu ứng Hall lượng tử cũng sử dụng các từ trường ngoài mạnh để nghiên cứu các tính chất tô pô như góc Chern–Simons có thể đo được bằng thí nghiệm.

Ứng dụng

Nghiên cứu trong vật lý vật chất ngưng tụ đem đến một số thiết bị ứng dụng, như sự phát triển của tranzitor bán dẫn, và công nghệ laser. Một số hiện tượng nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ nano trở thành nội dung nghiên cứu của vật lý vật chất ngưng tụ. Các kỹ thuật như kính hiển vi quét chui hầm được sử dụng để điều khiển các quá trình ở cấp nano, và khai sinh ra ngành nghiên cứu lắp ráp và chế tạo thiết bị nano (nanofabrication). Một vài hệ vật chất ngưng tụ đang được nghiên cứu với khả năng ứng dụng cho máy tính lượng tử, bao gồm các thí nghiệm về chấm lượng tử, SQUID, và các mô hình lý thuyết như mã vòng xuyến (toric code) và mô hình dimer lượng tử (quantum dimer model). Các hệ vật chất ngưng tụ có thể tinh chỉnh để cung cấp các điều kiện cần thiết cho tính kết hợp (coherence) và độ nhạy pha (phase-sensitivity) là những thành phần cần thiết trong lưu trữ thông tin lượng tử. Spintronics (điện tử học spin) là một lĩnh vực công nghệ mới nghiên cứu cách xử lý và truyền thông tin, dựa trên tính chất spin hơn là sự vận chuyển các electron. Vật lý vật chất ngưng tụ cũng có ứng dụng quan trọng trong lý sinh học, ví như trong kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán y học.