संघनित पदार्थ भौतिकी

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संघनित पदार्थ भौतिकी भौतिकी का क्षेत्र है जो पदार्थ के स्थूल और सूक्ष्म भौतिक गुणों से संबंधित है, विशेष रूप से ठोस और तरल चरण जो परमाणुओं के बीच विद्युत चुम्बकीय बलों से उत्पन्न होते हैं। अधिक आम तौर पर, विषय पदार्थ के "संघनित" चरणों से संबंधित है: कई घटकों की प्रणाली उनके बीच मजबूत बातचीत के साथ। अधिक विदेशी संघनित चरणों में कम तापमान पर कुछ सामग्रियों द्वारा प्रदर्शित सुपरकंडक्टिंग चरण, परमाणुओं के क्रिस्टल जाली पर स्पिन के फेरोमैग्नेटिक और एंटीफेरोमैग्नेटिक चरण और अल्ट्राकोल्ड परमाणु प्रणालियों में पाए जाने वाले बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट शामिल हैं। संघनित पदार्थ भौतिक विज्ञानी विभिन्न भौतिक गुणों को मापने के लिए प्रयोगों द्वारा और गणितीय मॉडल विकसित करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी, विद्युत चुंबकत्व, सांख्यिकीय यांत्रिकी और अन्य सिद्धांतों के भौतिक नियमों को लागू करके इन चरणों के व्यवहार को समझना चाहते हैं।

अध्ययन के लिए उपलब्ध प्रणालियों और परिघटनाओं की विविधता संघनित पदार्थ भौतिकी को समकालीन भौतिकी का सबसे सक्रिय क्षेत्र बनाती है: सभी अमेरिकी भौतिकविदों में से एक तिहाई संघनित पदार्थ भौतिकविदों के रूप में स्वयं की पहचान करते हैं, [1] और संघनित पदार्थ भौतिकी का प्रभाग सबसे बड़ा विभाजन है। अमेरिकन फिजिकल सोसायटी । [2] क्षेत्र रसायन विज्ञान, सामग्री विज्ञान, इंजीनियरिंग और नैनो प्रौद्योगिकी के साथ ओवरलैप करता है, और परमाणु भौतिकी और बायोफिज़िक्स से निकटता से संबंधित है। संघनित पदार्थ की सैद्धांतिक भौतिकी कण भौतिकी और परमाणु भौतिकी के साथ महत्वपूर्ण अवधारणाओं और विधियों को साझा करती है। [3]

भौतिक विज्ञान में विभिन्न विषयों जैसे क्रिस्टलोग्राफी, धातु विज्ञान, लोच, चुंबकत्व, आदि को 1940 के दशक तक अलग-अलग क्षेत्रों के रूप में माना जाता था, जब उन्हें ठोस अवस्था भौतिकी के रूप में एक साथ समूहीकृत किया गया था। 1960 के दशक के आसपास, तरल पदार्थों के भौतिक गुणों के अध्ययन को इस सूची में जोड़ा गया, जिससे संघनित पदार्थ भौतिकी की अधिक व्यापक विशेषता का आधार बना। [4] बेल टेलीफोन प्रयोगशाला संघनित पदार्थ भौतिकी में अनुसंधान कार्यक्रम संचालित करने वाले पहले संस्थानों में से एक थी। [4]

व्युत्पत्ति

भौतिक विज्ञानी फिलिप वारेन एंडरसन के अनुसार, अध्ययन के एक क्षेत्र को नामित करने के लिए "संघनित पदार्थ" शब्द का उपयोग उनके और वोल्कर हाइन द्वारा गढ़ा गया था, जब उन्होंने कैवेंडिश लेबोरेटरीज, कैम्ब्रिज में अपने समूह का नाम सॉलिड स्टेट थ्योरी से थ्योरी में बदल दिया। 1967 में संघनित पदार्थ, [5] जैसा कि उन्होंने महसूस किया कि इसमें तरल पदार्थ, परमाणु पदार्थ आदि में उनकी रुचि शामिल है। [6] [7] हालांकि एंडरसन और हाइन ने "संघनित पदार्थ" नाम को लोकप्रिय बनाने में मदद की, इसका उपयोग यूरोप में कुछ वर्षों के लिए किया गया था, सबसे प्रमुख रूप से स्प्रिंगर-वेरलाग जर्नल फिजिक्स ऑफ कंडेंस्ड मैटर में, जिसे 1963 में लॉन्च किया गया था। [8] "संघनित पदार्थ भौतिकी" नाम ने ठोस, तरल पदार्थ, प्लाज़्मा और अन्य जटिल पदार्थों पर काम करने वाले भौतिकविदों द्वारा सामना की जाने वाली वैज्ञानिक समस्याओं की समानता पर बल दिया, जबकि "ठोस अवस्था भौतिकी" अक्सर धातुओं और अर्धचालकों के प्रतिबंधित औद्योगिक अनुप्रयोगों से जुड़ी होती थी। 1960 और 70 के दशक में, कुछ भौतिकविदों ने महसूस किया कि अधिक व्यापक नाम उस समय की शीत युद्ध की राजनीति और वित्त पोषण के माहौल में बेहतर फिट बैठता है। [9]

"संघनित" अवस्थाओं के सन्दर्भ पहले के स्रोतों से खोजे जा सकते हैं। उदाहरण के लिए, अपनी 1947 की पुस्तक काइनेटिक थ्योरी ऑफ लिक्विड्स के परिचय में, [10] याकोव फ्रेनकेल ने प्रस्तावित किया कि "तरल पदार्थों के गतिज सिद्धांत को ठोस निकायों के गतिज सिद्धांत के सामान्यीकरण और विस्तार के रूप में विकसित किया जाना चाहिए। वास्तव में, उन्हें 'संघनित निकायों' के शीर्षक के तहत एकीकृत करना अधिक सही होगा।

संघनित पदार्थ भौतिकी का इतिहास

चिरसम्मत भौतिकी

1908 में लीडेन में हीलियम लिक्विफ़ेक्टर के साथ हेइक कामेरलिंग ओन्स और जोहान्स वैन डेर वाल्स

पदार्थ की संघनित अवस्थाओं के पहले अध्ययनों में से एक, उन्नीसवीं शताब्दी के पहले दशकों में अंग्रेजी रसायनज्ञ हम्फ्री डेवी द्वारा किया गया था। डेवी ने देखा कि उस समय ज्ञात चालीस रासायनिक तत्वों में से छब्बीस में धात्विक गुण जैसे चमक, लचीलापन और उच्च विद्युत और तापीय चालकता थी। [11] इसने संकेत दिया कि जॉन डाल्टन के परमाणु सिद्धांत में परमाणु अविभाज्य नहीं थे जैसा कि डाल्टन ने दावा किया था, लेकिन आंतरिक संरचना थी। डेवी ने आगे दावा किया कि जिन तत्वों को तब गैस माना जाता था, जैसे कि नाइट्रोजन और हाइड्रोजन को सही परिस्थितियों में द्रवीभूत किया जा सकता है और फिर वे धातुओं के रूप में व्यवहार करेंगे। [12] [note 1]

1823 में, माइकल फैराडे, जो उस समय डेवी की प्रयोगशाला में सहायक थे, ने सफलतापूर्वक क्लोरीन का द्रवीकरण किया और नाइट्रोजन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को छोड़कर, सभी ज्ञात गैसीय तत्वों का द्रवीकरण किया। [13] कुछ ही समय बाद, 1869 में, आयरिश रसायनज्ञ थॉमस एंड्रयूज ने एक तरल से गैस में चरण संक्रमण का अध्ययन किया और उस स्थिति का वर्णन करने के लिए महत्वपूर्ण बिंदु शब्द गढ़ा, जहां एक गैस और एक तरल चरणों के रूप में अप्रभेद्य थे, [14] और डच भौतिक विज्ञानी जोहान्स वैन डेर वाल्स ने सैद्धांतिक ढांचे की आपूर्ति की जिसने बहुत अधिक तापमान पर माप के आधार पर महत्वपूर्ण व्यवहार की भविष्यवाणी की अनुमति दी। [15] : 35–38 1908 तक, जेम्स देवर और हेइक कामेरलिंग ओन्स क्रमशः हाइड्रोजन और फिर नए खोजे गए हीलियम को द्रवीभूत करने में सक्षम थे। [13]

पॉल ड्रूड ने 1900 में एक धात्विक ठोस के माध्यम से चलने वाले शास्त्रीय इलेक्ट्रॉन के लिए पहला सैद्धांतिक मॉडल प्रस्तावित किया। [16] ड्रूड के मॉडल ने मुक्त इलेक्ट्रॉनों की गैस के संदर्भ में धातुओं के गुणों का वर्णन किया, और वेडेमैन-फ्रांज कानून जैसे अनुभवजन्य टिप्पणियों की व्याख्या करने वाला पहला सूक्ष्म मॉडल था। [17] [18] : 27–29 हालांकि, ड्रूड के मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल की सफलता के बावजूद, इसकी एक उल्लेखनीय समस्या थी: यह धातुओं की विशिष्ट गर्मी और चुंबकीय गुणों में इलेक्ट्रॉनिक योगदान और कम तापमान पर प्रतिरोधकता की तापमान निर्भरता को सही ढंग से समझाने में असमर्थ था। [19] : 366–368 

1911 में, हीलियम को पहली बार द्रवीभूत करने के तीन साल बाद, लीडेन विश्वविद्यालय में काम करने वाले ओन्स ने पारा में अतिचालकता की खोज की, जब उन्होंने पारा की विद्युत प्रतिरोधकता को एक निश्चित मूल्य से नीचे के तापमान पर गायब होने के लिए देखा। [20] घटना ने उस समय के सर्वश्रेष्ठ सैद्धांतिक भौतिकविदों को पूरी तरह से आश्चर्यचकित कर दिया, और यह कई दशकों तक अस्पष्ट रहा। [21] अल्बर्ट आइंस्टीन ने 1922 में सुपरकंडक्टिविटी के समकालीन सिद्धांतों के बारे में कहा था कि "समग्र प्रणालियों के क्वांटम यांत्रिकी की हमारी दूरगामी अज्ञानता के साथ हम इन अस्पष्ट विचारों से एक सिद्धांत की रचना करने में सक्षम होने से बहुत दूर हैं।" [22]

क्वांटम यांत्रिकी का आगमन

ड्रूड के शास्त्रीय मॉडल को वोल्फगैंग पाउली, अर्नोल्ड सोमरफेल्ड, फेलिक्स बलोच और अन्य भौतिकविदों द्वारा संवर्धित किया गया था। पाउली ने महसूस किया कि धातु में मुक्त इलेक्ट्रॉनों को फर्मी-डिराक आँकड़ों का पालन करना चाहिए। इस विचार का प्रयोग करते हुए उन्होंने 1926 में अनुचुम्बकत्व का सिद्धांत विकसित किया। कुछ ही समय बाद, सोमरफेल्ड ने फर्मी-डिराक आंकड़ों को मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल में शामिल किया और गर्मी क्षमता की व्याख्या करना बेहतर बना दिया। दो साल बाद, बलोच ने आवधिक जाली में एक इलेक्ट्रॉन की गति का वर्णन करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग किया। [23] : 366–368 ऑगस्टे ब्रावाइस, येवग्राफ फ्योडोरोव और अन्य लोगों द्वारा विकसित क्रिस्टल संरचनाओं के गणित का उपयोग उनके समरूपता समूह द्वारा क्रिस्टल को वर्गीकृत करने के लिए किया गया था, और क्रिस्टल संरचनाओं की तालिका श्रृंखला के लिए आधार थी, जिसे पहली बार 1935 में प्रकाशित किया गया [24] । बैंड संरचना गणना का उपयोग पहली बार 1930 में नई सामग्रियों के गुणों की भविष्यवाणी करने के लिए किया गया था, और 1947 में जॉन बार्डीन, वाल्टर ब्रेटन और विलियम शॉक्ले ने पहला सेमीकंडक्टर -आधारित ट्रांजिस्टर विकसित किया, जो इलेक्ट्रॉनिक्स में एक क्रांति की शुरुआत कर रहा था। [25]

बेल लैब में पहले बिंदु-संपर्क ट्रांजिस्टर की प्रतिकृति

1879 में, जॉन्स हॉपकिन्स विश्वविद्यालय में काम कर रहे एडविन हर्बर्ट हॉल ने कंडक्टर में एक विद्युत प्रवाह के लिए अनुप्रस्थ कंडक्टरों में विकसित वोल्टेज और वर्तमान के लंबवत चुंबकीय क्षेत्र की खोज की। [26] कंडक्टर में आवेश वाहकों की प्रकृति के कारण उत्पन्न होने वाली इस घटना को हॉल इफेक्ट कहा जाने लगा, लेकिन उस समय इसकी ठीक से व्याख्या नहीं की गई थी, क्योंकि 18 साल बाद तक प्रयोगात्मक रूप से इलेक्ट्रॉन की खोज नहीं की गई थी। क्वांटम यांत्रिकी के आगमन के बाद, 1930 में लेव लैंडौ ने लैंडौ परिमाणीकरण के सिद्धांत को विकसित किया और आधी सदी बाद खोजे गए क्वांटम हॉल प्रभाव के सैद्धांतिक स्पष्टीकरण की नींव रखी। [27] : 458–460 [28]


पदार्थ की संपत्ति के रूप में चुंबकत्व को चीन में 4000 ईसा पूर्व से जाना जाता है। [29] : 1–2 हालांकि, चुंबकत्व का पहला आधुनिक अध्ययन केवल उन्नीसवीं शताब्दी में फैराडे, मैक्सवेल और अन्य द्वारा इलेक्ट्रोडायनामिक्स के विकास के साथ शुरू हुआ, जिसमें चुंबकीयकरण के प्रति उनकी प्रतिक्रिया के आधार पर फेरोमैग्नेटिक, पैरामैग्नेटिक और डायमैग्नेटिक के रूप में वर्गीकृत सामग्री शामिल थी। [30] पियरे क्यूरी ने तापमान पर चुंबकत्व की निर्भरता का अध्ययन किया और लौहचुंबकीय पदार्थों में क्यूरी बिंदु चरण संक्रमण की खोज की। [29] 1906 में, पियरे वीस ने फेरोमैग्नेट्स के मुख्य गुणों की व्याख्या करने के लिए चुंबकीय डोमेन की अवधारणा पेश की। [31] : 9 चुंबकत्व के सूक्ष्म विवरण का पहला प्रयास विल्हेम लेनज़ और अर्नस्ट इसिंग द्वारा आइसिंग मॉडल के माध्यम से किया गया था, जिसमें चुंबकीय सामग्री का वर्णन किया गया था जिसमें सामूहिक रूप से चुंबकीयकरण प्राप्त करने वाले स्पिनों की आवधिक जाली शामिल थी। [29] इसिंग मॉडल को ठीक से यह दिखाने के लिए हल किया गया था कि सहज चुंबकीयकरण एक आयाम में नहीं हो सकता है लेकिन उच्च-आयामी जाली में संभव है। आगे के शोध जैसे कि स्पिन तरंगों पर बलोच और एंटीफेरोमैग्नेटिज्म पर नील ने चुंबकीय भंडारण उपकरणों के लिए अनुप्रयोगों के साथ नई चुंबकीय सामग्री विकसित की। [29] : 36–38, g48 

आधुनिक बहुपिंडी भौतिकी

अतिचालक पदार्थ के ऊपर से उड़ने वाला चुंबक।
एक उच्च तापमान सुपरकंडक्टर के ऊपर एक चुंबक । आज कुछ भौतिक विज्ञानी AdS/CFT पत्राचार का उपयोग करके उच्च-तापमान अतिचालकता को समझने के लिए कार्य कर रहे हैं। [32]

फेरोमैग्नेटिज्म के लिए सोमरफेल्ड मॉडल और स्पिन मॉडल ने 1930 के दशक में घनीभूत पदार्थ की समस्याओं के लिए क्वांटम यांत्रिकी के सफल अनुप्रयोग को चित्रित किया। हालांकि, अभी भी कई अनसुलझी समस्याएं थीं, विशेष रूप से अतिचालकता और कोंडो प्रभाव का वर्णन। [33] द्वितीय विश्व युद्ध के बाद, क्वांटम फील्ड थ्योरी के कई विचारों को संघनित पदार्थ की समस्याओं पर लागू किया गया था। इनमें ठोस पदार्थों के सामूहिक उत्तेजना मोड की पहचान और एक क्वासिपार्टिकल की महत्वपूर्ण धारणा शामिल थी। रूसी भौतिक विज्ञानी लेव लैंडौ ने फर्मी तरल सिद्धांत के लिए विचार का इस्तेमाल किया, जिसमें परस्पर क्रिया करने वाले फ़र्मियन सिस्टम के कम ऊर्जा गुण दिए गए थे, जिन्हें अब लैंडौ-कैसिपार्टिकल्स कहा जाता है। [33] लैंडौ ने निरंतर चरण संक्रमण के लिए एक माध्य-क्षेत्र सिद्धांत भी विकसित किया, जिसने क्रमबद्ध चरणों को समरूपता के सहज टूटने के रूप में वर्णित किया। सिद्धांत ने ऑर्डर किए गए चरणों के बीच अंतर करने के लिए ऑर्डर पैरामीटर की धारणा भी पेश की। [34] अंततः 1956 में, जॉन बार्डीन, लियोन कूपर और जॉन श्राइफ़र ने सुपरकंडक्टिविटी के तथाकथित बीसीएस सिद्धांत को विकसित किया, इस खोज के आधार पर कि जाली में फोनन द्वारा मध्यस्थता वाले विपरीत स्पिन के दो इलेक्ट्रॉनों के बीच मनमाने ढंग से छोटा आकर्षण एक बाध्य अवस्था को जन्म दे सकता है जिसे कहा जाता है एक कूपर जोड़ी । [35]

क्वांटम हॉल प्रभाव : बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के कार्य के रूप में हॉल प्रतिरोधकता के घटक [36] : fig. 14 

चरण संक्रमण का अध्ययन और अवलोकन के महत्वपूर्ण व्यवहार, जिसे महत्वपूर्ण घटना कहा जाता है, 1960 के दशक में रुचि का एक प्रमुख क्षेत्र था। [37] लियो कडानॉफ, बेंजामिन विडोम और माइकल फिशर ने आलोचनात्मक प्रतिपादकों और विडोम स्केलिंग के विचारों को विकसित किया। इन विचारों को केनेथ जी. विल्सन ने 1972 में क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के संदर्भ में पुनर्सामान्यीकरण समूह की औपचारिकता के तहत एकीकृत किया था। [37]

क्वांटम हॉल प्रभाव की खोज क्लॉस वॉन क्लिट्ज़िंग, डोरडा और पेपर ने 1980 में की थी, जब उन्होंने हॉल चालन को एक मौलिक स्थिरांक के पूर्णांक गुणकों के रूप में देखा था। (आंकड़ा देखें) प्रभाव प्रणाली के आकार और अशुद्धियों जैसे मापदंडों से स्वतंत्र देखा गया। [38] 1981 में, सिद्धांतकार रॉबर्ट लाफलिन ने अभिन्न पठार की अप्रत्याशित सटीकता की व्याख्या करते हुए एक सिद्धांत का प्रस्ताव रखा। यह भी निहित है कि हॉल चालन एक टोपोलॉजिकल इनवेरिएंट के समानुपाती है, जिसे चेर्न नंबर कहा जाता है, जिसकी ठोस बैंड संरचना के लिए प्रासंगिकता डेविड जे। थौलेस और सहयोगियों द्वारा तैयार की गई थी। [39] [40] : 69, 74 कुछ ही समय बाद, 1982 में, होर्स्ट स्टॉर्मर और डैनियल त्सुई ने आंशिक क्वांटम हॉल प्रभाव देखा, जहां चालन अब स्थिरांक का एक तर्कसंगत गुणक था। . लाफलिन ने 1983 में महसूस किया कि यह हॉल राज्यों में अर्ध-कणों की बातचीत का परिणाम था और उन्होंने लाफलिन वेवफंक्शन नामक एक परिवर्तनशील विधि समाधान तैयार किया। [41] आंशिक हॉल प्रभाव के टोपोलॉजिकल गुणों का अध्ययन अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र बना हुआ है। [42] दशकों बाद, डेविड जे. थौलेस और सहयोगियों [43] द्वारा उन्नत उपरोक्त टोपोलॉजिकल बैंड सिद्धांत का और विस्तार किया गया, जिससे टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की खोज हुई। [44] [45]

1986 में, कार्ल मुलर और जोहान्स बेडनोर्ज़ ने पहले उच्च तापमान सुपरकंडक्टर की खोज की, एक ऐसी सामग्री जो 50 केल्विन तक के तापमान पर अतिचालक थी। यह महसूस किया गया कि उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स दृढ़ता से सहसंबद्ध सामग्रियों के उदाहरण हैं जहां इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन इंटरैक्शन एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। [46] उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स का एक संतोषजनक सैद्धांतिक विवरण अभी भी ज्ञात नहीं है और दृढ़ता से सहसंबद्ध सामग्री का क्षेत्र एक सक्रिय शोध विषय बना हुआ है।

2009 में, डेविड फील्ड और आरहूस विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने प्रोसिक फिल्में बनाते समय सहज विद्युत क्षेत्रों की खोज की  विभिन्न गैसों का। यह हाल ही में स्पोंटेइलेक्ट्रिक्स के अनुसंधान क्षेत्र के रूप में विस्तारित हुआ है। [47]

2012 में कई समूहों ने प्रीप्रिंट जारी किए जो बताते हैं कि समैरियम हेक्साबोराइड में पहले की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुसार एक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर [48] के गुण हैं। [49] चूंकि समैरियम हेक्साबोराइड एक स्थापित कोंडो इन्सुलेटर है, यानी एक दृढ़ता से सहसंबद्ध इलेक्ट्रॉन सामग्री है, इसलिए यह उम्मीद की जाती है कि इस सामग्री में एक टोपोलॉजिकल डायराक सतह राज्य के अस्तित्व से मजबूत इलेक्ट्रॉनिक सहसंबंधों के साथ एक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर हो जाएगा।

सैद्धांतिक

सैद्धांतिक संघनित पदार्थ भौतिकी में पदार्थ की अवस्थाओं के गुणों को समझने के लिए सैद्धांतिक मॉडल का उपयोग शामिल है। इनमें ठोस पदार्थों के इलेक्ट्रॉनिक गुणों का अध्ययन करने के लिए मॉडल शामिल हैं, जैसे ड्रूड मॉडल, बैंड संरचना और घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत । चरण संक्रमण के भौतिकी का अध्ययन करने के लिए सैद्धांतिक मॉडल भी विकसित किए गए हैं, जैसे कि गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत, महत्वपूर्ण प्रतिपादक और क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत और पुनर्सामान्यीकरण समूह के गणितीय तरीकों का उपयोग। आधुनिक सैद्धांतिक अध्ययनों में उच्च तापमान सुपरकंडक्टिविटी, टोपोलॉजिकल चरणों और गेज समरूपता जैसी घटनाओं को समझने के लिए इलेक्ट्रॉनिक संरचना और गणितीय उपकरणों की संख्यात्मक गणना का उपयोग शामिल है।

उद्भव

संघनित पदार्थ भौतिकी की सैद्धांतिक समझ उद्भव की धारणा से निकटता से संबंधित है, जिसमें कणों के जटिल संयोजन अपने व्यक्तिगत घटकों से नाटकीय रूप से भिन्न तरीके से व्यवहार करते हैं। [50] [51] उदाहरण के लिए, उच्च तापमान सुपरकंडक्टिविटी से संबंधित घटनाओं की एक श्रृंखला को खराब तरीके से समझा जाता है, हालांकि व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों और जाली के सूक्ष्म भौतिकी को अच्छी तरह से जाना जाता है। [52] इसी तरह, संघनित पदार्थ प्रणालियों के मॉडल का अध्ययन किया गया है जहां सामूहिक उत्तेजना फोटॉन और इलेक्ट्रॉनों की तरह व्यवहार करती है, जिससे विद्युत चुंबकत्व को एक आकस्मिक घटना के रूप में वर्णित किया जाता है। [53] सामग्री के बीच इंटरफेस में आकस्मिक गुण भी हो सकते हैं: एक उदाहरण लैंथेनम एल्यूमिनेट-स्ट्रोंटियम टाइटेनेट इंटरफ़ेस है, जहां दो बैंड-इन्सुलेटर चालकता और अतिचालकता बनाने के लिए जुड़े हुए हैं।

ठोस का इलेक्ट्रॉनिक सिद्धांत

ठोसों के गुणों के अध्ययन के लिए धात्विक अवस्था ऐतिहासिक रूप से एक महत्वपूर्ण निर्माण खंड रही है। [54] धातुओं का पहला सैद्धांतिक विवरण पॉल ड्रूड द्वारा 1900 में ड्रूड मॉडल के साथ दिया गया था, जिसने धातु को तब-नए खोजे गए इलेक्ट्रॉनों की एक आदर्श गैस के रूप में वर्णित करके विद्युत और थर्मल गुणों की व्याख्या की थी। वह अनुभवजन्य विडेमैन-फ्रांज कानून प्राप्त करने और प्रयोगों के साथ घनिष्ठ समझौते में परिणाम प्राप्त करने में सक्षम था। [55] : 90–91 इस शास्त्रीय मॉडल को तब अर्नोल्ड सोमरफेल्ड द्वारा सुधार किया गया था, जिन्होंने इलेक्ट्रॉनों के फर्मी-डिराक आंकड़ों को शामिल किया था और वेडेमैन-फ्रांज कानून में धातुओं की विशिष्ट गर्मी के विषम व्यवहार की व्याख्या करने में सक्षम थे। [55] : 101–103 1912 में, मैक्स वॉन लाउ और पॉल निपिंग द्वारा क्रिस्टलीय ठोस की संरचना का अध्ययन किया गया था, जब उन्होंने क्रिस्टल के एक्स-रे विवर्तन पैटर्न का अवलोकन किया, और निष्कर्ष निकाला कि क्रिस्टल परमाणुओं की आवधिक जाली से अपनी संरचना प्राप्त करते हैं। [55] : 48 [56] 1928 में, स्विस भौतिक विज्ञानी फेलिक्स बलोच ने श्रोडिंगर समीकरण के लिए एक आवधिक क्षमता के साथ एक तरंग फ़ंक्शन समाधान प्रदान किया, जिसे बलोच के प्रमेय के रूप में जाना जाता है। [57]

कई-शरीर तरंगों को हल करके धातुओं के इलेक्ट्रॉनिक गुणों की गणना करना अक्सर कम्प्यूटेशनल रूप से कठिन होता है, और इसलिए, सार्थक भविष्यवाणियां प्राप्त करने के लिए सन्निकटन विधियों की आवश्यकता होती है। [58] 1920 के दशक में विकसित थॉमस-फ़र्मी सिद्धांत का उपयोग स्थानीय इलेक्ट्रॉन घनत्व को एक परिवर्तनशील पैरामीटर के रूप में मानकर सिस्टम ऊर्जा और इलेक्ट्रॉनिक घनत्व का अनुमान लगाने के लिए किया गया था। बाद में 1930 के दशक में, डगलस हार्ट्री, व्लादिमीर फॉक और जॉन स्लेटर ने थॉमस-फर्मि मॉडल में सुधार के रूप में तथाकथित हार्ट्री-फॉक वेवफंक्शन को विकसित किया। हार्ट्री-फॉक विधि ने एकल कण इलेक्ट्रॉन तरंगों के आदान-प्रदान के आंकड़ों के लिए जिम्मेदार है। सामान्य तौर पर, हार्ट्री-फॉक समीकरण को हल करना बहुत मुश्किल है। केवल मुक्त इलेक्ट्रॉन गैस मामले को ठीक से हल किया जा सकता है। [59] : 330–337 अंततः 1964-65 में, वाल्टर कोह्न, पियरे होहेनबर्ग और लू जेउ शाम ने घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत का प्रस्ताव रखा जिसने धातुओं के थोक और सतह गुणों के लिए यथार्थवादी विवरण दिया। घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) का व्यापक रूप से 1970 के दशक से विभिन्न प्रकार के ठोस पदार्थों की बैंड संरचना गणना के लिए उपयोग किया गया है। [58]

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