Kiinteän olomuodon fysiikka

Kiinteän olomuodon fysiikka on tiiviin aineen fysiikan suurin osa-alue. Kiinteän olomuodon fysiikka tutkii kiinteää ainetta, joka koostuu suuresta määrästä kemiallisesti tiheästi yhteen sitoutuneita atomeita.^[1] Kiinteän olomuodon fysiikka pyrkii kuvaamaan kuinka aineen sähköiset, optiset, magneettiset, termiset ja mekaaniset ominaisuudet riippuvat aineen mikroskooppisesta rakenteesta, ja se toimii siten materiaalifysiikan teoreettisena pohjana. Kiinteän olomuodon fysiikan tärkeimmät matemaattiset työkalut ovat kvanttimekaniikka ja tilastollinen fysiikka.

Aineen rakenne

Kiinteät materiaalit koostuvat suuresta määrästä atomeita, jotka vuorovaikuttavat keskenään elektronikuoriensa kautta ja järjestäytyvät tiiviiksi rakenteeksi. Atomien välisten sidosten tyyppi vaihtelee rakenneosasten elektronirakenteen mukaan. Esimerkiksi ruokasuolakiteessä natriumin ja kloridin välinen sidos on ionisidos, kun taas metalleissa jaetut elektronit delokalisoituvat koko hilan alueelle. Jalokaasujen elektronikuoret ovat täynnä, ja ne vuorovaikuttavat heikon van der Waalsin voiman kautta. Syntyvä rakenne riippuu myös ulkoisista ulosuhteista, kuten paineesta ja lämpötilasta. Atomit voivat järjestäytyä joko säännölliseksi kiderakenteeksi, joka toistuu jaksollisesti samanlaisena jopa koko materiaalin mitalta, tai epäsäännölliseksi amorfiseksi rakenteeksi. Tavanomaisista kiinteistä aineista jää edustaa kiteistä ainetta, kun taas lasi on rakenteeltaan amorfista. On olemassa myös kvasikiteitä, jotka eivät ole jaksollisia, mutta joilla on kuitenkin tarkkaan määritelty rakenne. Kokeellisesti aineen rakennetta voidaan tutkia kristallografisin menetelmin.

Tiiviin aineen teoriassa täydelliset kiderakenteet ovat keskeisessä roolissa, sillä jaksollisuus tekee niiden matemaattisesta kuvailusta huomattavasti yksinkertaisempaa kuin epäsäännöllisempien systeemien kuvailusta. Jaksollisten hilojen kuvailua yksinkertaistaa Blochin teoreema, joka mahdollistaa mm. materiaalin elektronisen rakenteen kuvailun Fourier-käänteishilassa. Lisäksi monilla kiteisillä materiaaleilla, esimerkiksi puolijohteilla, on teknologisesti kiinnostavia sähköisiä, magneettisia, optisia ja mekaanisia ominaisuuksia.

Kiteisetkin materiaalit ovat käytännössä usein monikiteisiä ja ne sisältävät erilaisia hilavirheitä, jotka katkaisevat hilarakenteen täydellisen jaksollisuuden. Hilarakenteen lisäksi hilavirheet määrittävät materiaalin sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet.

Elektroniset ominaisuudet

Pääartikkeli: Sähkönkuljetusteoria

Kiinteän olomuodon fysiikka selittää materiaalien sähkönjohtavuutta mikroskooppisten mallien perusteella. Yksinkertaisimmillaan kiinteän aineen elektronivyörakenne määrittää sen onko se sähköinen eriste, johde vai puolijohde. Magnetismin vaikutusta sähkönjohtavuuteen ilmentävät esimerkiksi Hallin ilmiö ja magnetoresistanssi.

Yksi kiinteän olomuodon fysiikan keskeisistä haaroista on puolijohdefysiikka, jonka sovellutuksia ovat transistorit, diodit ja muut puolijohdekomponentit.

Magnetismi

Pääartikkeli: Magnetismi#Aineiden_magneettiset_ominaisuudet

Kun aine on ulkoisessa magneettikentässä, magneettikenttä joko vahvistuu tai heikkenee. Tämän ilmiön voimakkuutta kuvaa aineen suhteellinen permeabiliteetti. Useimmilla aineilla se on lähellä arvoa 1, eli ne vaikuttavat kenttään vain heikosti. Diamagneettisilla aineilla se suhteellinen permeabiliteetti on hieman pienempi kuin 1, eli ne heikentävät kenttää jonkin verran, kun taas paramagneettisilla aineilla se on hieman suurempi kuin 1 eli ne hieman voimistavat kenttää. Ferromagneettisten aineiden vaikutuksesta magneettikenttä voimistuu jopa monituhatkertaiseksi.

Kiinteän aineen fysiikka selittää magnetismin perustan yksinkertaistettujen mikroskooppisten mallien avulla.

Suprajohtavuus ja muut faasimuutokset

Pääartikkeli: Suprajohde

Ferromagnetismi ja paramagnetismi ovat kaksi esimerkkiä eri olomuodoista, joihin materiaalin elektronit voivat järjestäytyä. Kiinteän olomuodon fysiikka käsittelee myös muita elektronisia olomuotoja, kuten suprajohtavuutta. Suprajohtavassa tilassa materiaalin resistanssi katoaa ja se hylkii ulkoisia magneettikenttiä.

Historia

1900-luvun alkupuolella tieteenalat kuten kristallografia, metallioppi, lujuusoppi ja magnetismioppi tutkivat kiinteiden aineiden ominaisuuksia eri näkökulmista, ja ne käsitettiin toisistaan itsenäisiksi tieteidenaloiksi. Alojen yhteys vahvistui sitä mukaa kun kvanttimekaniikkaa alettiin soveltamaan kullakin alalla, ja kiinteän aineen fysiikka syntyi 1940-luvulla alat kokoavaksi kattotermiksi. 1960-luvulla alan painopiste siirtyi käsittämään myös nesteiden tutkimuksen, ja kiinteän aineen fysiikasta muotoitui osa uutta alaa, joka tunnetaan nimellä tiiviin aineen fysiikka. ^[2]

Lähteet

↑ Harald Ibach, Hans Lüth: Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Materials Science, s. 1. Springer Science & Business Media, 2009. ISBN 9783540938040 (englanniksi)
↑ Benjamin Bederson (toim.): More things in heaven and earth : a celebration of physics at the millennium. New York : Springer : American Physical Society, 1999. ISBN 978-0-387-98662-3 Teos Internet Archivessa.

Kirjallisuutta

Kittel, Charles: Introduction to Solid State Physics. (8. painos) Wiley, New York, 2004. ISBN 0-471-41526-X Teos Internet Archivessa.

Aiheesta muualla

Thuneberg, Erkki: Kiinteän aineen fysiikka (pdf) (Kiinteän aineen fysiikan johdantokurssin luentomoniste) users.aalto.fi. Oulun yliopisto.

[1] Harald Ibach, Hans Lüth: Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Materials Science, s. 1. Springer Science & Business Media, 2009. ISBN 9783540938040 (englanniksi)

[2] Benjamin Bederson (toim.): More things in heaven and earth : a celebration of physics at the millennium. New York : Springer : American Physical Society, 1999. ISBN 978-0-387-98662-3 Teos Internet Archivessa.

[1]

[2]