응축 물질 물리학 - Condensed matter physics

응축 물질 물리학 - Condensed matter physics

응축물리학은 물질의 거시적이고 미시적인 물리적 특성을 다루는 물리 분야다. 특히 그것은 시스템의 구성 요소 수가 극도로 크고 구성 요소들 간의 상호작용이 강할 때마다 나타나는 "응축" 단계와 관련이 있다. 응축 단계의 가장 익숙한 예는 고체와 액체인데, 이는 원자 사이의 전자기력에서 발생한다. 응축물리학자들은 물리적 법칙을 이용하여 이러한 단계의 행동을 이해하려고 한다. 특히 양자역학, 전자기학, 통계역학의 법칙이 그것이다. 보다 이국적인 응축 페이즈로는 저온에서 특정 물질에 의해 나타나는 초전도 페이즈, 원자의 결정 격자 위에 있는 스핀들의 강자성과 반초자성 페이즈, 그리고 초인종 원자 시스템에서 발견되는 보세-아인슈타인 응축 페이즈 등이 있다. 응축물질물리학의 연구는 이론물리학의 방법을 사용하여 물리적 행동을 이해하는 데 도움이 되는 수학적 모델을 개발하는 것과 함께 실험적인 탐침을 통해 다양한 물질적 특성을 측정하는 것을 포함한다.

연구에 이용 가능한 시스템과 현상의 다양성은 응축 물질 물리학을 현대 물리학의 가장 활발한 분야로 만든다: 미국 물리학자 전체의 3분의 1이 응축 물질 물리학자로서 자기 동일시하고, 응축 물질 물리학의 분과는 미국 물리 학회에서 가장 큰 분업이다. 이 분야는 화학, 재료과학, 공학, 나노기술과 중복되며 원자물리학, 생물물리학과 밀접한 관련이 있다. 응축물질의 이론물리학은 입자물리학 및 핵물리학과 중요한 개념과 방법을 공유한다.

결정학, 야금학, 탄성, 자력 등 물리학의 다양한 주제가 1940년대까지 구별되는 영역으로 취급되었는데, 이때 고체물리학으로 함께 분류되었다. 1960년대경, 액체의 물리적 특성에 대한 연구가 이 목록에 추가되어, 응축물리학의 새로운 관련 특성의 기초를 형성하였다. 물리학자 필립 워렌 앤더슨에 따르면, 그와 볼커 하이네에 의해 만들어진 이 용어는 1967년 캐번디쉬 연구소에서 캠브리지가 고체 상태론에서 응축 물질 이론으로 그룹 이름을 바꾸었을 때 액체, 핵 물질 등의 연구에 대한 그들의 관심사를 배제하지 않는다고 느꼈기 때문에 만들어졌다. 앤더슨과 하이네이가 '응축 물질'이라는 명칭을 대중화시키는 데 일조했지만, 그것은 몇 년 동안 유럽에 존재해왔으며, 1963년에 시작된 '응축 물질의 물리학'이라는 제목의 스프링거-베를랙이 영어, 프랑스어, 독일어로 출판한 저널의 형태로 가장 두드러지게 나타났다. 1960년대와 1970년대의 자금조달 환경과 냉전 정치도 일부 물리학자들이 고형물, 액체, 플라스마, 기타 복잡한 물질에 종사하는 물리학자들이 흔히 볼 수 있는 '고형 상태 물리학'보다 마주치는 과학 문제의 공통성을 강조한 '응축 물질 물리학'이라는 명칭을 선호하게 만드는 요인이었다. 금속과 반도체의 산업적 응용과 관련된 벨 전화 연구소는 응축물리학에 관한 연구 프로그램을 실시한 최초의 연구소 중 하나이다. "응축" 상태에 대한 참조는 이전 출처까지 추적할 수 있다. 예를 들어, 야코프 프레켈은 1947년 저서 '액체의 운동 이론'의 서론에서 "액체의 운동 이론은 그에 따라 고체의 운동 이론의 일반화와 확장으로 개발되어야 한다"고 제안했다. 사실 '응축체'라는 호칭으로 통일하는 것이 더 옳을 것이다.

고전물리학

응축된 물질 상태에 대한 최초의 연구 중 하나는 19세기 초 영국의 화학자 험프리 데이비에 의한 것이었다. 데이비는 당시 알려진 40개의 화학 원소 중 26개는 광택, 연성, 높은 전기 및 열전도율과 같은 금속 성질을 가지고 있다는 것을 관찰했다. 이것은 존 달튼의 원자 이론에 있는 원자들이 달튼의 주장대로 분리될 수 없는 것이 아니라 내부 구조를 가지고 있음을 시사했다. 데이비는 또 당시 질소와 수소 등 기체로 믿었던 원소들이 적절한 조건에서 액화돼 금속처럼 행동할 수 있다고 주장했다. 1823년 당시 데이비스 연구실의 조수였던 마이클 패러데이는 성공적으로 염소를 액화시키고 질소, 수소, 산소를 제외한 알려진 모든 기체 원소를 액화시키는 작업을 계속했다. 직후인 1869년 아일랜드의 화학자 토마스 앤드류스는 액체에서 기체로의 위상전환을 연구하여 기체와 액체를 위상으로 구별할 수 없는 상태를 설명하기 위해 임계점이라는 용어를 만들었고, 네덜란드의 물리학자 요하네스 반 데르 바알스는 임계행동을 예측할 수 있는 이론적 틀을 제공하였다.훨씬 높은 온도에서의 측정을 기반으로 한다. 1908년까지 제임스 드워와 하이케 카머링히 온네스는 각각 수소를 액화시키는 데 성공했고, 그 후 새로 발견된 헬륨도 성공적으로 액화시킬 수 있었다.

1900년 폴 드루드는 금속 고체를 통해 움직이는 고전적인 전자에 대한 최초의 이론적 모델을 제안했다. 드루드의 모델은 금속의 성질을 자유전자의 기체 측면에서 설명했으며, 위데만-프란츠 법칙과 같은 경험적 관찰을 설명하는 최초의 현미경 모델이었다. 그러나 드루드의 자유 전자 모델이 성공했음에도 불구하고 금속의 특정 열과 자성에 대한 전자적 기여와 저온에서 저항성의 온도 의존성을 정확하게 설명할 수 없다는 한 가지 주목할 만한 문제가 있었다. 헬륨이 처음 액화 된 지 3년 후인 1911년 라이덴 대학에서 일하고 있는 온네스는 수은에서 초전도성을 발견했는데, 이때 그는 수은의 전기 저항성이 일정한 값 이하의 온도에서 사라지는 것을 관찰했다. 이 현상은 당시 최고의 이론 물리학자들을 완전히 놀라게 했고, 수십 년 동안 설명할 수 없는 상태로 남아 있었다. 1922년 알버트 아인슈타인은 현대 초전도성 이론에 대해 "복합체계의 양자역학에 대한 우리의 광범위한 무지로 인해 우리는 이러한 모호한 생각들로 이론을 구성할 수 있는 것과는 매우 거리가 멀다"고 말했다.

양자역학의 도래

드루드의 클래식 모델은 볼프강 파울리, 아놀드 소머펠트, 펠릭스 블로흐 등 물리학자들이 증강했다. 파울리는 금속의 자유 전자가 페르미-디락 통계에 따라야 한다는 것을 깨달았다. 이 사상을 이용하여 1926년 파라마그니즘 이론을 발전시켰다. 얼마 지나지 않아 소머펠트는 페르미-디락 통계를 자유 전자 모델에 통합하고 열 용량에 대해 더 잘 설명하도록 만들었다. 2년 후, Bloch는 양자역학을 사용하여 주기적인 격자에서 전자의 움직임을 묘사했다. 오귀스트 브라바이스, 예브그라프 표도로프 등이 개발한 결정구조의 수학은 그 대칭군별로 결정구조의 분류에 사용되었고, 수정구조의 표는 1935년에 처음 출판된 국제결정구조의 시리즈인 국제표(International Tables of Crystalography)의 기초가 되었다. 밴드 구조 계산은 1930년에 신소재의 성질을 예측하기 위해 처음 사용되었고, 1947년에 존 바딘, 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리가 최초의 반도체 기반 트랜지스터를 개발하여 전자제품의 혁명을 예고했다.

1879년 존스 홉킨스 대학에서 일하고 있는 에드윈 허버트 홀은 도체와 전류에 수직인 자기장의 전류를 가로지르는 도체에 걸쳐 개발된 전압을 발견했다. 도체 내 전하 운반체의 특성상 발생하는 이러한 현상을 홀 효과라고 부르기 시작했지만, 18년이 지나도록 전자가 실험적으로 발견되지 않아 당시에는 제대로 설명되지 않았다. 양자역학의 출현 이후 1930년 레브 란다우는 란다우 양자화 이론을 발전시켜 반세기 후에 발견된 양자홀 효과에 대한 이론적 설명의 기초를 닦았다.

물질의 속성으로서의 자성은 기원전 4000년부터 중국에 알려져 있다. 그러나 자성에 대한 최초의 근대적 연구는 19세기 패러데이, 맥스웰 등에 의한 전기역학의 발달로 시작되었는데, 여기에는 자성에 대한 반응에 기초하여 물질을 강자성, 파라자성, 직경으로 분류하는 것이 포함되어 있었다. 피에르 퀴리는 온도에 대한 자기화의 의존성을 연구했고 강자성 물질에서 퀴리 포인트 위상 전환을 발견했다. 1906년 피에르 와이스는 페로마네트의 주요 성질을 설명하기 위해 자기 영역의 개념을 도입했다. 자성에 대한 미시적인 묘사에 대한 첫 번째 시도는 자성 물질을 집단적으로 자성을 획득한 스핀들의 주기적인 격자로 구성된 것으로 묘사하는 이싱 모델을 통해 빌헬름 렌츠와 에른스트 이싱에 의해 이루어졌다. Ising 모델은 자발적 자기화가 한 차원에서는 일어날 수 없지만 더 높은 차원 격자에서는 가능하다는 것을 보여주기 위해 정확히 해결되었다. 스핀파에 대한 Bloch와 반자성에 대한 Néel과 같은 추가 연구는 자성 저장 장치에 응용된 새로운 자성 물질을 개발하도록 이끌었다.

현대 다체물리학

소머펠트 모델과 강자성을 위한 스핀 모델은 1930년대에 응축 물질 문제에 양자역학을 성공적으로 적용한 것을 예시했다. 그러나 여전히 몇 가지 해결되지 않은 문제가 있었는데, 가장 두드러지게 초전도성과 콘도 효과에 대한 설명이 그것이었다. 제2차 세계 대전 이후, 양자장 이론에서 나온 여러 가지 사상이 응축 물질 문제에 적용되었다. 여기에는 고형물의 집단적 흥분 모드와 퀘이피사의 중요한 개념이 포함되었다. 러시아의 물리학자 Lev Landau는 페르미 액체 이론에 아이디어를 사용했는데, 페르미 액체 이론에서 페르미 액체 이론은 현재 란도-콰시파르티클이라고 불리는 것의 측면에서 상호 작용하는 페르미온 시스템의 낮은 에너지 특성이 주어졌다. 란도는 또한 연속적인 위상 전환을 위한 평균장 이론을 개발했는데, 이것은 순서된 페이즈를 대칭의 자발적 파괴로 묘사했다. 그 이론은 또한 순서 단계를 구별하기 위한 순서 매개변수의 개념을 도입했다. 결국 1956년 존 바딘, 레온 쿠퍼, 그리고 존 슈리퍼는 격자 속의 음핵에 의해 매개된 반대 스핀의 두 전자 사이에 임의로 작은 끌어당김이 쿠퍼 쌍이라는 바운드 상태를 발생시킬 수 있다는 발견에 기초하여 이른바 초전도성 BCS 이론을 개발하였다. 위상 전이 및 관측 가능성의 비판적 행동에 대한 연구는 1960년대에는 주요 관심 분야였다. Leo Kadanoff, Benjamin Widom, Michael Fisher는 비판적 지수와 Widom 스케일링의 아이디어를 개발했다. 이러한 사상은 1972년 케네스 G. 윌슨에 의해 양자장 이론의 맥락에서 신원화 집단의 형식주의에 의해 통일되었다.

양자 홀 효과는 1980년 클라우스 폰 클라이칭, 도다 및 페퍼에 의해 발견되었는데, 홀 전도성이 기본 상수 e²/h의 정수 배수임을 관찰하였다. 그 영향은 시스템 크기, 불순물 등의 파라미터와 무관한 것으로 관찰되었다. 1981년 이론가 로버트 러플린은 적분 고원의 예상치 못한 정밀도를 설명하는 이론을 제안했다. 그것은 또한 홀 전도성이 툴레스와 협력자들에 의해 공식화된 체르노우라는 위상학적 불변성의 관점에서 특징지어질 수 있다는 것을 암시했다. 그 직후인 1982년 호르스트 슈트르머와 다니엘 츠이는 현재 전도성이 상수의 이성적 배수가 되는 분수 양자 홀 효과를 관찰했다. 1983년 러플린은 이것이 홀 주에서 퀘이피자 상호작용의 결과라는 것을 깨닫고 러플린 파동함수라는 이름의 가변적 방법 솔루션을 공식화했다. 분수 홀 효과의 위상학적 특성에 대한 연구는 여전히 활발한 연구 분야로 남아 있다. 수십 년 후 데이비드 J에 의해 토폴로지 밴드 이론이 발전했다. 툴레스와 협력자들은 위상학적 절연체의 발견으로 더욱 확대되었다.

1986년 칼 뮐러와 요하네스 베드노르즈는 50 켈빈에 달하는 고온에서 초전도하는 물질인 최초의 고온 초전도체를 발견했다. 고온 초전도체는 전자와 전자의 상호작용이 중요한 역할을 하는 강하게 상관된 물질의 예라는 것을 깨달았다. 고온 초전도체에 대한 만족스러운 이론적 설명은 여전히 알려지지 않고 있으며, 강하게 상관된 소재 분야는 여전히 활발한 연구 주제가 되고 있다. 2009년 데이비드 필드와 오르후스 대학교 연구진은 다양한 기체의 활성 필름을 만들 때 자연발생적인 전기장을 발견했다. 이것은 최근에 더 확대되어 척추전극의 연구영역을 형성하고 있다. 2012년에 몇몇 그룹들은 사마륨 헥사보라이드가 이전의 이론적 예측과 일치하는 위상학적 절연체의 특성을 가지고 있다는 것을 암시하는 프리프린트를 발표했다. 사마륨 헥사보라이드는 확립된 콘도 절연체, 즉 강하게 상관된 전자 물질이기 때문에, 이 물질에 위상학적 디락 표면 상태가 존재하면 전자적 상관관계가 강한 위상학적 절연체로 이어질 것으로 예상된다.