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 दृढ़ परस्पर क्रिया के साथ। अधिक विदेशी संघनित चरणों में कम तापमान पर कुछ सामग्रियों द्वारा प्रदर्शित अतिचालकता चरण, परमाणुओं के क्रिस्टल जाली पर प्रचकरण के फेरोमैग्नेटिक और एंटीफेरोमैग्नेटिक चरण और अल्ट्राकोल्ड परमाणु प्रणालियों में पाए जाने वाले बोस-आइंस्टीन संघनन शामिल हैं। संघनित पदार्थ भौतिक विज्ञानी विभिन्न भौतिक गुणों को प्रयोगों द्वारा मापने के लिए 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 समझने की कोशिश करते 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 विभाजन अमेरिकन फिजिकल सोसायटी का सबसे बड़ा डिवीजन है।[2] क्षेत्र रसायन विज्ञान, सामग्री विज्ञान, इंजीनियरिंग और नैनो प्रौद्योगिकी के साथ अधिव्यापन (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, प्रत्यास्थता, 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 एक शोध कार्यक्रम आयोजित करने वाले पहले संस्थानों में से एक था। [4] मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर सॉलिड स्टेट रिसर्च के संस्थापक निदेशक, भौतिकी के प्रोफेसर मैनुअल कार्डोना के अनुसार, अल्बर्ट आइंस्टीन थे जिन्होंने फोटोइलेक्ट्रॉनिक प्रभाव और फोटोल्यूमिनेसिसेंस पर अपने मौलिक 1905 के लेख से प्रारम्भ होकर संघनित पदार्थ भौतिकी के आधुनिक क्षेत्र का निर्माण किया, जिसने फोटोइलेक्ट्रॉन के क्षेत्र खोले। स्पेक्ट्रोस्कोपी और फोटोल्यूमिनेसेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी, और बाद में ठोस पदार्थों की विशिष्ट गर्मी पर उनका 1907 का लेख, जिसने पहली बार क्रिस्टल के ऊष्मप्रवैगिकी (थर्मोडायनामिक) गुणों, विशेष रूप से विशिष्ट गर्मी पर जाली कंपन के प्रभाव को पेश किया। येल क्वांटम संस्थान के उप निदेशक ए. डगलस स्टोन क्वांटम यांत्रिकी के कृत्रिम इतिहास पर अपने काम में आइंस्टीन के लिए एक समान प्राथमिकता की स्थिति बनाते हैं।

व्युत्पत्ति

भौतिक विज्ञानी फिलिप वारेन एंडरसन के अनुसार, अध्ययन के क्षेत्र को नामित करने के लिए "संघनित पदार्थ" शब्द का उपयोग उनके और वोल्कर हाइन द्वारा गढ़ा गया था, जब उन्होंने 1967 में कैवेंडिश प्रयोगशालाओं, कैम्ब्रिज में अपने समूह का नाम ठोस अवस्था सिद्धांत से संघनित पदार्थ सिद्धांत में बदल दिया।[5] जैसा कि उन्होंने उन्हें लगा कि तरल पदार्थ, परमाणु पदार्थ आदि में उनकी रुचि को शामिल करना बेहतर है।[6] [7] हालांकि एंडरसन और हाइन ने "संघनित पदार्थ" नाम को लोकप्रिय बनाने में मदद की, लेकिन कुछ वर्षों से इसका उपयोग यूरोप में सबसे प्रमुख रूप से स्प्रिंगर-वेरलाग जर्नल फिजिक्स ऑफ कंडेंस्ड मैटर में किया गया था, 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 परिेवेश के लिए बेहतर 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 तदनुसार 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 चमक, लचीलापन, उच्च विद्युत और तापीय चालकता जैसे धात्विक गुण थे।[11] इससे यह संकेत मिलता है 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] [13]

1823 में, माइकल फैराडे, जो उस समय डेवी की प्रयोगशाला में एक सहायक थे, ने सफलतापूर्वक क्लोरीन का द्रवीकरण किया और नाइट्रोजन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को छोड़कर, सभी ज्ञात गैसीय तत्वों का द्रवीकरण किया। [14] कुछ ही समय बाद, 1869 में, आयरिश रसायनज्ञ थॉमस एंड्रयूज ने एक तरल से गैस में प्रावस्था संक्रमण का अध्ययन किया और उस स्थिति का वर्णन करने के लिए क्रांतिक बिंदु शब्द गढ़ा, जहां एक गैस और एक तरल चरणों के रूप में अप्रभेद्य थे, [15] 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। [16] : 35–38 1908 तक, जेम्स देवर और हेइक कामेरलिंग ओन्स क्रमशः हाइड्रोजन और फिर नए खोजे गए हीलियम को द्रवीभूत करने में सफल रहे।[14]

पॉल ड्रूड ने 1900 में एक धात्विक ठोस से गुजरने वाले चिरसम्मत इलेक्ट्रॉन के लिए पहला सैद्धांतिक मॉडल प्रस्तावित किया।[17] ड्रूड के मॉडल ने धातुओं के गुणों को मुक्त इलेक्ट्रॉनों की गैस के रूप में वर्णित किया और वेडेमैन-फ्रांज कानून जैसे अनुभवजन्य अवलोकनों की व्याख्या करने वाला पहला सूक्ष्म मॉडल था।[18] [19] : 27–29 हालांकि, ड्रूड के मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल की सफलता के बावजूद, इसकी एक उल्लेखनीय समस्या थी: यह धातुओं की विशिष्ट ऊष्मा और चुंबकीय गुणों में इलेक्ट्रॉनिक योगदान और कम तापमान पर प्रतिरोधकता की तापमान निर्भरता की सही व्याख्या करने में असमर्थ था। [20] : 366–368 

1911 में, हीलियम को पहली बार द्रवीभूत करने के तीन साल बाद, लीडेन विश्वविद्यालय में काम करने वाले ओन्स ने पारे में अतिचालकता की खोज की, जब उन्होंने देखा कि पारे की विद्युत प्रतिरोधकता एक निश्चित मूल्य से नीचे के तापमान पर गायब हो जाती है।[21] इस घटना ने उस समय के सर्वश्रेष्ठ सैद्धांतिक भौतिकविदों को पूरी तरह से आश्चर्यचकित कर दिया, और यह कई दशकों तक अस्पष्टीकृत रहा।[22] अल्बर्ट आइंस्टीन ने 1922 में अतिचालकता (सुपरकंडक्टिविटी) के समकालीन सिद्धांतों के बारे में कहा था कि "समग्र प्रणालियों के क्वांटम यांत्रिकी के बारे में हमारी दूरगामी अज्ञानता के साथ हम इन अस्पष्ट विचारों से एक सिद्धांत की रचना करने में सक्षम होने से बहुत दूर हैं।"[23]

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 ऊष्मा क्षमता की व्याख्या करने को 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। [24] : 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 [25] । 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। [26]

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। [27] 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। [28] : 458–460 [29]


पदार्थ की संपत्ति के रूप में चुंबकत्व को चीन में 4000 ईसा पूर्व से जाना जाता है। [30] : 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। [31] पियरे क्यूरी ने तापमान पर चुंबकत्व की निर्भरता का अध्ययन किया और लौहचुंबकीय पदार्थों में क्यूरी बिंदु चरण संक्रमण की खोज की। [30] 1906 में, पियरे वीस ने फेरोमैग्नेट्स के मुख्य गुणों की व्याख्या करने के लिए चुंबकीय डोमेन की अवधारणा पेश की। [32] : 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। [30] 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। [30] : 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। [33]

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। [34] 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। [34] 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। [35] 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 । [36]

क्वांटम हॉल प्रभाव : बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के कार्य के रूप में हॉल प्रतिरोधकता के घटक [37] : 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। [38] 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। [38]

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। [39] 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। [40] [41] : 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। [42] आंशिक हॉल प्रभाव के टोपोलॉजिकल गुणों का अध्ययन अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र बना हुआ है। [43] दशकों बाद, डेविड जे. थौलेस और सहयोगियों [44] द्वारा उन्नत उपरोक्त टोपोलॉजिकल बैंड सिद्धांत का और विस्तार किया गया, जिससे टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की खोज हुई। [45] [46]

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। [47] 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। [48]

2012 में कई समूहों ने प्रीप्रिंट जारी किए जो बताते हैं कि समैरियम हेक्साबोराइड में पहले की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुसार एक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर [49] के गुण हैं। [50] 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। [51] [52] 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। [53] 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। [54] 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। [55] 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। [56] : 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। [56] : 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। [56] : 48 [57] 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। [58]

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। [59] 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। [60] : 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। [59]

समरूपता विभंजन

पदार्थ की कुछ अवस्थाएँ समरूपता को तोड़ती हैं, जहाँ भौतिकी के प्रासंगिक नियमों में कुछ प्रकार की समरूपता होती है जो टूट जाती है। एक सामान्य उदाहरण क्रिस्टलीय ठोस है, जो निरंतर अनुवादकीय समरूपता को तोड़ता है। अन्य उदाहरणों में मैग्नेटाइज्ड फेरोमैग्नेट्स शामिल हैं, जो घूर्णी समरूपता को तोड़ते हैं, और अधिक विदेशी राज्य जैसे कि बीसीएस सुपरकंडक्टर की जमीनी स्थिति, जो यू (1) चरण घूर्णी समरूपता को तोड़ती है। [61] [62]

क्वांटम फील्ड थ्योरी में गोल्डस्टोन के प्रमेय में कहा गया है कि टूटी हुई निरंतर समरूपता वाली प्रणाली में, मनमाने ढंग से कम ऊर्जा के साथ उत्तेजना मौजूद हो सकती है, जिसे गोल्डस्टोन बोसॉन कहा जाता है। उदाहरण के लिए, क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों में, ये फोनोन के अनुरूप होते हैं, जो जाली कंपन के परिमाणित संस्करण हैं। [63]

चरण संक्रमण

चरण संक्रमण एक प्रणाली के चरण के परिवर्तन को संदर्भित करता है, जो बाहरी पैरामीटर जैसे तापमान में परिवर्तन के द्वारा लाया जाता है। शास्त्रीय चरण संक्रमण परिमित तापमान पर होता है जब सिस्टम का क्रम नष्ट हो गया था। उदाहरण के लिए, जब बर्फ पिघलती है और पानी बन जाती है, तो व्यवस्थित क्रिस्टल संरचना नष्ट हो जाती है।

क्वांटम चरण संक्रमण में, तापमान पूर्ण शून्य पर सेट होता है, और गैर-थर्मल नियंत्रण पैरामीटर, जैसे दबाव या चुंबकीय क्षेत्र, चरण संक्रमण का कारण बनता है जब हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत से उत्पन्न क्वांटम उतार-चढ़ाव से आदेश नष्ट हो जाता है। यहां, सिस्टम के विभिन्न क्वांटम चरण हैमिल्टनियन मैट्रिक्स के अलग-अलग जमीनी राज्यों को संदर्भित करते हैं। दुर्लभ-पृथ्वी चुंबकीय इन्सुलेटर, उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स और अन्य पदार्थों के गुणों को समझाने के कठिन कार्यों में क्वांटम चरण संक्रमण के व्यवहार को समझना महत्वपूर्ण है। [64]

चरण संक्रमण के दो वर्ग होते हैं: पहला क्रम संक्रमण और दूसरा क्रम या निरंतर संक्रमण । उत्तरार्द्ध के लिए, शामिल दो चरण संक्रमण तापमान पर सह-अस्तित्व में नहीं हैं, जिसे महत्वपूर्ण बिंदु भी कहा जाता है। महत्वपूर्ण बिंदु के पास, सिस्टम महत्वपूर्ण व्यवहार से गुजरते हैं, जिसमें उनके कई गुण जैसे सहसंबंध लंबाई, विशिष्ट गर्मी और चुंबकीय संवेदनशीलता तेजी से भिन्न होती है। [65] ये महत्वपूर्ण घटनाएं भौतिकविदों के लिए गंभीर चुनौतियां पेश करती हैं क्योंकि सामान्य मैक्रोस्कोपिक कानून अब इस क्षेत्र में मान्य नहीं हैं, और नए कानूनों को खोजने के लिए नए विचारों और विधियों का आविष्कार किया जाना चाहिए जो सिस्टम का वर्णन कर सकते हैं। [66] : 75ff 

सबसे सरल सिद्धांत जो निरंतर चरण संक्रमण का वर्णन कर सकता है, वह है गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सिद्धांत, जो तथाकथित माध्य-क्षेत्र सन्निकटन में काम करता है। हालांकि, यह केवल फेरोइलेक्ट्रिक्स और टाइप I सुपरकंडक्टर्स के लिए निरंतर चरण संक्रमण की व्याख्या कर सकता है जिसमें लंबी दूरी की सूक्ष्म बातचीत शामिल है। अन्य प्रकार की प्रणालियों के लिए जिसमें महत्वपूर्ण बिंदु के पास कम दूरी की बातचीत शामिल है, एक बेहतर सिद्धांत की आवश्यकता है। [67] : 8–11 

महत्वपूर्ण बिंदु के पास, उतार-चढ़ाव बड़े पैमाने के आकार के पैमाने पर होते हैं जबकि पूरे सिस्टम की विशेषता स्केल अपरिवर्तनीय होती है। रेनॉर्मलाइज़ेशन समूह के तरीके क्रमिक रूप से चरणों में सबसे कम तरंग दैर्ध्य के उतार-चढ़ाव को औसत करते हैं, जबकि अगले चरण में उनके प्रभाव को बनाए रखते हैं। इस प्रकार, विभिन्न आकार के पैमानों पर देखे गए भौतिक प्रणाली के परिवर्तनों की व्यवस्थित रूप से जांच की जा सकती है। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ विधियां, निरंतर चरण संक्रमण से जुड़ी महत्वपूर्ण घटनाओं की व्याख्या में बहुत योगदान देती हैं। [68] : 11 

प्रयोगात्मक

प्रायोगिक संघनित पदार्थ भौतिकी में सामग्री के नए गुणों की खोज करने के लिए प्रायोगिक जांच का उपयोग शामिल है। इस तरह की जांच में बिजली और चुंबकीय क्षेत्रों के प्रभाव, प्रतिक्रिया कार्यों को मापने, परिवहन गुण और थर्मोमेट्री शामिल हैं। [69] आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली प्रायोगिक विधियों में स्पेक्ट्रोस्कोपी शामिल है, जिसमें एक्स-रे, इंफ्रारेड लाइट और इनलेस्टिक न्यूट्रॉन स्कैटरिंग जैसी जांच होती है; थर्मल प्रतिक्रिया का अध्ययन, जैसे विशिष्ट गर्मी और थर्मल और गर्मी चालन के माध्यम से परिवहन को मापना।

प्रोटीन क्रिस्टल से एक्स-रे विवर्तन पैटर्न की छवि।

प्रकीर्णन

कई संघनित पदार्थ प्रयोगों में एक सामग्री के घटकों पर एक प्रयोगात्मक जांच, जैसे एक्स-रे, ऑप्टिकल फोटॉन, न्यूट्रॉन आदि का बिखरना शामिल है। प्रकीर्णन जांच का चुनाव रुचि के अवलोकन ऊर्जा पैमाने पर निर्भर करता है। दृश्यमान प्रकाश में 1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (ईवी) के पैमाने पर ऊर्जा होती है और इसका उपयोग ढांकता हुआ स्थिरांक और अपवर्तक सूचकांक जैसे भौतिक गुणों में भिन्नता को मापने के लिए एक बिखरने वाली जांच के रूप में किया जाता है। एक्स-रे में 10 केवी के क्रम की ऊर्जा होती है और इसलिए परमाणु लंबाई के पैमाने की जांच करने में सक्षम होते हैं, और इलेक्ट्रॉन चार्ज घनत्व में भिन्नता को मापने के लिए उपयोग किया जाता है। [70] : 33–34 

न्यूट्रॉन परमाणु लंबाई के पैमानों की भी जांच कर सकते हैं और इनका उपयोग नाभिक और इलेक्ट्रॉन स्पिन और चुंबकीयकरण के बिखरने का अध्ययन करने के लिए किया जाता है (क्योंकि न्यूट्रॉन में स्पिन होता है लेकिन कोई चार्ज नहीं होता है)। कूलम्ब और मोट स्कैटरिंग माप इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग स्कैटरिंग जांच के रूप में करके किया जा सकता है। [71] : 33–34 [72] : 39–43 इसी तरह, पॉज़िट्रॉन विनाश का उपयोग स्थानीय इलेक्ट्रॉन घनत्व के अप्रत्यक्ष माप के रूप में किया जा सकता है। [73] लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी एक माध्यम के सूक्ष्म गुणों का अध्ययन करने के लिए एक उत्कृष्ट उपकरण है, उदाहरण के लिए, गैर-रेखीय ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ मीडिया में निषिद्ध संक्रमण का अध्ययन करना। [74] : 258–259 

बाह्य चुंबकीय क्षेत्र

प्रयोगात्मक संघनित पदार्थ भौतिकी में, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र थर्मोडायनामिक चर के रूप में कार्य करते हैं जो राज्य, चरण संक्रमण और भौतिक प्रणालियों के गुणों को नियंत्रित करते हैं। [75] परमाणु चुंबकीय अनुनाद (NMR) एक ऐसी विधि है जिसके द्वारा बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों के अनुनाद मोड को खोजने के लिए किया जाता है, इस प्रकार उनके पड़ोस के परमाणु, आणविक और बंधन संरचना के बारे में जानकारी दी जाती है। 60 टेस्ला तक की ताकत वाले चुंबकीय क्षेत्रों में एनएमआर प्रयोग किए जा सकते हैं। उच्च चुंबकीय क्षेत्र एनएमआर माप डेटा की गुणवत्ता में सुधार कर सकते हैं। [76] : 69 [77] : 185 क्वांटम दोलन एक अन्य प्रायोगिक विधि है जहां उच्च चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग भौतिक गुणों जैसे कि फर्मी सतह की ज्यामिति का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। [78] उच्च चुंबकीय क्षेत्र विभिन्न सैद्धांतिक भविष्यवाणियों जैसे कि परिमाणित मैग्नेटोइलेक्ट्रिक प्रभाव, छवि चुंबकीय मोनोपोल और अर्ध-पूर्णांक क्वांटम हॉल प्रभाव के प्रयोगात्मक परीक्षण में उपयोगी होंगे। [76] : 57 

नाभिकीय स्पेक्ट्रमिकी

स्थानीय संरचना, निकटतम पड़ोसी परमाणुओं की संरचना, संघनित पदार्थ की जांच परमाणु स्पेक्ट्रोस्कोपी के तरीकों से की जा सकती है, जो छोटे परिवर्तनों के प्रति बहुत संवेदनशील हैं। विशिष्ट और रेडियोधर्मी नाभिक का उपयोग करते हुए, नाभिक जांच बन जाता है जो अपने आसपास के विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों ( हाइपरफाइन इंटरैक्शन ) के साथ संपर्क करता है। दोष, प्रसार, चरण परिवर्तन, चुंबकत्व का अध्ययन करने के लिए विधियां उपयुक्त हैं। सामान्य तरीके हैं जैसे एनएमआर, मोसबाउर स्पेक्ट्रोस्कोपी, या विकृत कोणीय सहसंबंध (पीएसी)। विशेष रूप से पीएसी 2000 . से ऊपर के चरम तापमान पर चरण परिवर्तनों के अध्ययन के लिए आदर्श है डिग्री सेल्सियस विधि की कोई तापमान निर्भरता के कारण।

पहला बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट अल्ट्राकोल्ड रूबिडियम परमाणुओं की गैस में देखा गया। नीले और सफेद क्षेत्र उच्च घनत्व का प्रतिनिधित्व करते हैं।

शीत परमाणु गैसें

ऑप्टिकल लैटिस में अल्ट्राकोल्ड एटम ट्रैपिंग एक प्रायोगिक उपकरण है जो आमतौर पर संघनित पदार्थ भौतिकी में और परमाणु, आणविक और ऑप्टिकल भौतिकी में उपयोग किया जाता है। विधि में हस्तक्षेप पैटर्न बनाने के लिए ऑप्टिकल लेजर का उपयोग करना शामिल है, जो एक जाली के रूप में कार्य करता है, जिसमें आयनों या परमाणुओं को बहुत कम तापमान पर रखा जा सकता है। ऑप्टिकल जाली में ठंडे परमाणुओं का उपयोग क्वांटम सिमुलेटर के रूप में किया जाता है, अर्थात, वे नियंत्रणीय प्रणालियों के रूप में कार्य करते हैं जो अधिक जटिल प्रणालियों के व्यवहार को मॉडल कर सकते हैं, जैसे कि निराश मैग्नेट । [79] विशेष रूप से, उनका उपयोग पूर्व-निर्दिष्ट मापदंडों के साथ एक हबर्ड मॉडल के लिए एक-, दो- और तीन-आयामी जाली को इंजीनियर करने के लिए किया जाता है, और एंटीफेरोमैग्नेटिक और स्पिन लिक्विड ऑर्डरिंग के लिए चरण संक्रमण का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। [80] [81] [82]

1995 में, रूबिडियम परमाणुओं की एक गैस को 170 nK के तापमान तक ठंडा करके बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट का प्रयोग किया गया था, जो मूल रूप से एसएन बोस और अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा भविष्यवाणी की गई पदार्थ की एक उपन्यास अवस्था है, जिसमें बड़ी संख्या में परमाणु एक क्वांटम पर कब्जा कर लेते हैं। राज्य [83]

फुलरीन अणुओं से बने नैनोगियर्स का कंप्यूटर सिमुलेशन। यह आशा की जाती है कि नैनोसाइंस में प्रगति से आणविक पैमाने पर काम करने वाली मशीनें बन जाएंगी।

अनुप्रयोग

संघनित पदार्थ भौतिकी में अनुसंधान [84] [85] ने कई उपकरण अनुप्रयोगों को जन्म दिया है, जैसे अर्धचालक ट्रांजिस्टर का विकास, [86] लेजर प्रौद्योगिकी, [87] और नैनो प्रौद्योगिकी के संदर्भ में अध्ययन की गई कई घटनाएं। [88] : 111ff नैनोमीटर पैमाने पर प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने के लिए स्कैनिंग-टनलिंग माइक्रोस्कोपी जैसे तरीकों का उपयोग किया जा सकता है, और नैनोफाइब्रिकेशन के अध्ययन को जन्म दिया है। [89] ऐसी आणविक मशीनों को उदाहरण के लिए रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार विजेता बेन फेरिंगा द्वारा विकसित किया गया था। उन्होंने और उनकी टीम ने कई आणविक मशीनें जैसे आणविक कार, आणविक पवनचक्की और कई और विकसित कीं। [90]

क्वांटम अभिकलन में, जानकारी को क्वांटम बिट्स, या क्वैबिट्स द्वारा दर्शाया जाता है। उपयोगी गणना पूर्ण होने से पहले qubits जल्दी से खराब हो सकते हैं। क्वांटम कंप्यूटिंग को साकार करने से पहले इस गंभीर समस्या को हल किया जाना चाहिए। इस समस्या को हल करने के लिए, संघनित पदार्थ भौतिकी में कई आशाजनक दृष्टिकोण प्रस्तावित हैं, जिनमें जोसेफसन जंक्शन क्वैबिट्स, चुंबकीय सामग्री के स्पिन ओरिएंटेशन का उपयोग करते हुए स्पिंट्रोनिक क्वैबिट्स, या भिन्नात्मक क्वांटम हॉल प्रभाव राज्यों से टोपोलॉजिकल गैर-एबेलियन एनोन्स शामिल हैं। [91]

संघनित पदार्थ भौतिकी में बायोफिज़िक्स के लिए भी महत्वपूर्ण उपयोग हैं, उदाहरण के लिए, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग की प्रयोगात्मक विधि, जिसका व्यापक रूप से चिकित्सा निदान में उपयोग किया जाता है। [92]

यह सभी देखें

टिप्पणियाँ

  1. Both hydrogen and nitrogen have since been liquified; however, ordinary liquid nitrogen and hydrogen do not possess metallic properties. Physicists Eugene Wigner and Hillard Bell Huntington predicted in 1935 that a state metallic hydrogen exists at sufficiently high pressures (over 25 GPa), but this has not yet been observed.

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