Tiiviin aineen fysiikka

Tiiviin aineen fysiikka 250px Grafeeni on hiiliatomeista muodostunut kaksiulotteinen rakenne. Siinä atomit muodostavat kuusikulmioista koostuvan hilan. Grafeenilla on monia mielenkiintoisia ominaisuuksia - siinä muun muassa elektronit näyttäytyvät massattomina Diracin hiukkasina. Avainaiheita  Aineen olomuodotOlomuodonmuutoksetSähkön tai lämmön kuljetusominaisuudet  Aineen olomuotoja  Kiinteä aine, Neste, Kaasu, Plasma, Fermikaasu, Fermineste, Luttingerin neste, Supraneste, Supersolidi, Suprajohde, Ferromagneetti, Antiferromagneetti, Bosekondensaatti, Fermionikondensaatti Sähköisiä ominaisuuksia  Johde, Eriste, Puolijohde, Suprajohde Sähköisiä ilmiöitä  Hall-ilmiöt, Ferrosähköisyys, Kondo-ilmiö, Lämpösähköilmiöt Magneettisia ominaisuuksia  Paramagnetismi, Diamagnetismi, Ferromagnetismi, Antiferromagnetismi, Spin-lasi Kuuluisimmattieteilijät  Lev Landau, Enrico Fermi, John Bardeen, Ludwig Boltzmann, Philip Anderson

Tiiviin aineen fysiikka eli kondensoituneen aineen fysiikka () käsittelee aineen makroskooppisia ominaisuuksia. Erityisesti se tutkii mitä tapahtuu kun suuri määrä hiukkasia "tiivistyy" yhteen olomuotoon. Olomuoto riippuu hiukkasten välisten vuorovaikutusten suuruudesta ja ominaisuuksista sekä ulkoisista olosuhteista kuten lämpötilasta tai paineesta. Tutuimpia tiiviin aineen muotoja ovat kiinteät ja nestemäiset aineen olomuodot.

Tutkijamäärältään tiiviin aineen fysiikka on suurin fysiikan tutkimusalueista. Sen kehitys liittyy suoraan esimerkiksi elektroniikan ja prosessiteollisuuden kehitykseen. Alaa kutsuttiin pitkään kiinteän olomuodon fysiikaksi, koska suurin osa teorioista kehitettiin kiinteissä aineissa tapahtuvia ilmiöitä tutkittaessa selittämään kidemuotoja, johtavuusominaisuuksia ynnä muita. Alan nimi vakiintui kuitenkin tiiviin aineen fysiikaksi, kun havaittiin että suuri osa kiinteän olomuodon fysiikan tutkimuksessa käytettävistä käsitteistä pystyttiin helposti yleistämään myös nesteiden kuvaukseen.

Tärkein tiiviin aineen fysiikan teoreettinen työkalu on kvanttimekaniikka, jota käytetään kaikilla sen tutkimusalueilla. 

Suuri osa tiiviin aineen fysiikasta keskittyy sovelluksiin. Tämän lisäksi alan piirissä tutkitaan paljon myös useita eksoottisia ilmiöitä, jotka tyypillisesti ilmenevät matalissa, muutaman kelvinin suuruisissa lämpötiloissa. Näitä ovat
 Bose-Einstein kondensoituminen
 Suprajohtavuus
 Suprajuoksevuus
 Kvantti-Hall-ilmiöt
 Makroskooppinen kvanttitunnelointi
 Kondo-ilmiö

Tiiviin aineen fysiikan tutkimus on läheisesti yhteydessä myös materiaalitieteisiin.

Tiiviin aineen tutkimusalat
Tiiviin aineen fysiikan tutkimusalueita ovat muun muassa:
 Olomuodon muutokset ja kriittiset ilmiöt
 Sähkönkuljetusteoria
 Kidemuodot
 Magnetismi

Nykyään tiiviin aineen fysiikan tärkeitä tutkimusalueita ovat muun muassa:
 Mesoskooppinen fysiikka
 Korkean lämpötilan suprajohteet
 Kvanttilaskennan realisaatiot
 Magneettiset ilmiöt, kuten spin-kuljetusteoria
 Aineen olomuodot ääriolosuhteissa kuten ultramatalissa lämpötiloissa tai suurissa paineissa
 Tiiviin aineen fysiikan ilmiöt biologisissa rakenteissa

Historiaa
Joitain tiiviin aineen fysiikkaan oleellisesti liittyviä historiallisia virstanpylväitä

 1905 Albert Einstein selittää Brownin liikkeen
 1908 Heike Kamerlingh Onnes onnistui nesteyttämään Heliumin 4 kelvinissä
 1911 Heike Kamerlingh Onnes havaitsi suprajohtavuuden elohopeassa
 1924 Satyendra Nath Bose ja Albert Einstein kuvaavat fotonien statistiikkaa ja ennustavat Bose-Einstein kondensaation
 1925–1927 Muun muassa Werner Heisenbergin, Erwin Schrödingerin ja Niels Bohrin kehittämän kvanttimekaniikan kehitys avaa mahdollisuuden selittää muun muassa kiinteiden aineiden ominaisuuksia (esimerkiksi väri)
 1927 Friedrich Hund ennustaa kvanttitunneloinnin, jolla on suuri merkitys useiden tiiviin aineen fysiikan ilmiöiden selityksessä
 1930 Douglas Hartree ja Vladimir Fock osoittavat kuinka monihiukkasilmiöitä voidaan kuvata kvanttimekaanisesti
 1932 Max Knoll ja Ernst Ruska kehittivät elektronimikroskoopin
 1933 Paul Ehrenfestin teoria toisen asteen olomuodonmuutoksista.
 1937 Pyotr Kapitsa havaitsi heliumin supranesteisyyden
 1941 Lev Landaun teoria supranesteistä
 1944 Lars Onsagerin teoria olomuodonmuutoksista
 1948 John Bardeen, Walter Brattain ja William Shockley kehittävät transistorin
 1957 Suprajohtavuuden teoreettinen selitys, nk. BCS-teoria (John Bardeen, Leon Cooper ja John Schrieffer)
 1962 Brian Josephson ennustaa Josephsonin ilmiön erillisten suprajohteiden välillä
 1972 David Lee, Douglas Osheroff ja Robert Coleman Richardson havaitsevat olomuodonmuutoksen supranesteeksi fermionisessa Helium-3:ssa
 1980 Klaus von Klitzing havaitsee kvantti-Hall-ilmiön
 1981 Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer kehittävät tunnelointimikroskoopin
 1982 Horst Störmer ja Daniel Tsui löytävät ja 1983 Robert Laughlin selittää murtoluku-kvantti-Hall-ilmiön.
 1985 David Deutschin ideat kvanttilaskennasta
 1986 Johannes Georg Bednorz ja Karl Alexander Müller löytävät korkean lämpötilan suprajohtavuuden
 1991 Sumio Iijiman tutkimusryhmä NECissä Japanissa syntetisoi ja mittaa hiilen nanoputkia
 1995 Eric Cornell, Wolfgang Ketterle ja Carl Wieman havaitsevat Bose-Einstein kondensoitumisen
 1999 Japanilainen tutkimusryhmä, muun muassa Yasunobu Nakamura ja Jaw-Shen Tsai, kehittää ensimmäisen kiinteän olomuodon rakenteessa toimivan, suprajohtavuuteen perustuvan kvanttibitin
 2004 Andre Geimin ryhmä Manchesterin yliopistossa onnistuu eristämään yksittäisen grafiittitason, grafeenin ja mittaamaan sen ominaisuuksia.

 Katso myös 
 Suomalaisia tiiviin aineen fysiikan tutkimusryhmiä

Kirjallisuutta
 Ashcroft, N. & Mermin D.: Solid state physics – 1976 ilmestynyt alan kattavimpia teoksia 

*