Yoğun madde fizikçileri neyi inceler?
Lise öğrencilerine genellikle maddenin üç hali olduğu öğretilir: katılar, sıvılar ve gazlar. Ancak, maddenin daha birçok hali olduğu için bu yanıltıcıdır. Sıvı kristaller, süper iletkenler ve ferromanyetler maddenin lise sınıflandırmasına uymayan farklı halleridir. Yoğun madde fiziği (YMF), çok sayıda (en az bir milyon diyelim) etkileşim halindeki atom veya molekülleri içeren pratik olarak herhangi bir malzeme sistemi ile ilgilidir. Bunu karmaşık bir sistem olarak düşünebiliriz çünkü sistemin bileşenlerini (atomlar veya moleküller) düzenlemenin birçok farklı yolu vardır.
Yoğun madde fizikçileri bu sistemleri incelemek ve anlamak için hangi yaklaşımları ve teknikleri kullanır?
YMF, karmaşık malzeme sistemlerini araştırmak ve anlamak için çok yönlü bir yaklaşım için tutarlı bir entelektüel çerçeve sağlar.
İlk olarak, malzemeye mikroskobik düzeyden (tek tek atomların ve moleküllerin ölçeği) mezoskopik düzeye (kabaca binlerce atom veya molekül, mikrometre ölçeği) ve makroskopik düzeye (çıplak gözle görülebilenler) kadar birçok farklı ölçekte bakılabilir. göz). Farklı ölçekler farklı sistem boyutları, uzunluk ölçekleri, enerji ölçekleri ve zaman ölçekleri olabilir.
Her ölçekte, üç geniş kategoriye ayrılan farklı araçlar ve yaklaşımlar kullanılabilir: deneysel, teorik ve hesaplamalı. Üçü de entelektüel ve teknik olarak zorlu. Hepsi önemlidir.
Deney
Bunun birkaç farklı kısmı var.
Sentez ve fabrikasyon: Malzemenin bir örneğini yapmak gerekir. Bu kimyayı içerir. Büyük ve temiz numuneler yapmak başlı başına bir sanattır.
Karakterizasyon: Bu, kişinin gerçekte istenen kimyasal bileşim ve saflık örneğine sahip olduğunun test edilmesiyle ilgilidir.
Özellik ölçümü: Bu, numunenin fiziksel özelliklerinin (örneğin, kristal yapı veya elektrik direnci) ne olduğunun belirlenmesi ile ilgilidir. Genellikle sıcaklık, manyetik alan ve basınç gibi dış koşullar değişir ve ilgilenilen özelliklerin bu parametrelerle nasıl değiştiği belirlenir. En ilginç yoğun madde fiziğinin bazıları aşırı koşullar altında gerçekleşir: düşük sıcaklıklar, yüksek manyetik alanlar veya yüksek basınçlar. Teori ve model oluşturma
Cevaplanmaya çalışılan temel soru şudur: Malzemenin kimyasal bileşimi ve atomik yapısından malzeme özellikleri nasıl ortaya çıkar? Özellikle, malzemede bulunan maddenin farklı hallerinden sorumlu olan fiziksel mekanizmalar nelerdir? YMF’de, bu soruların, farklı uzunluk ve enerji ölçeklerinde meydana gelen temel sistem bileşenleri ve bunlar arasındaki fiziksel etkileşimlere karar verme açısından en iyi anlaşıldığı bulunmuştur. Bu etkileşimler için mümkün olan en basit modeli inşa etmek (veya hayal etmek!) gerçek bir sanattır.
Hesaplama
Bunun genellikle son teknoloji süper bilgisayarların ve algoritmaların kullanılmasını gerektiren çeşitli yönleri vardır. Biri genel olarak kuantum kimyası olarak bilinir ve temel kimyasal bileşim bilgisiyle başlayıp kuantum teorisinden sistemin özelliklerini hesaplamakla ilgilidir. Son 60 yılda hesaplama gücündeki ve algoritmalardaki büyük ilerlemelere rağmen, hala nispeten az sayıda atom ve/veya güvenilmez yaklaşım şemaları ile sınırlıdır.
İkinci hesaplama yönü, deneyle karşılaştırılabilecek teorik modellerin özelliklerini hesaplamaktır. “Basit” modeller için bile genellikle ya küçük sistemlerde büyük hesaplama gücü ya da güvenilmez yaklaşım şemaları gerektirir.
Son olarak, önemli bir zorluk,entelektüel sentez ve eleştirel değerlendirme . Burada, malzeme ve özelliklerinin tutarlı bir resmini elde etmek için tüm bu tamamlayıcı araştırmaların sonuçlarını bir araya getirmeye çalışır. Kaçınılmaz olarak, bazen küçük, bazen de büyük tutarsızlıklar vardır. Müfettişler daha sonra sorunun hangi unsurda olduğuna karar vermelidir.
YMF’nin atom fiziği, temel parçacık fiziği, akışkanlar mekaniği ve optik gibi diğer fizik alanlarından daha karmaşık, zorlu ve sürprizlerle dolu olduğunu düşünüyorum. YMF’de bilinmeyen ve yanlış gidebilecek daha pek çok şey var.