Tiiviin aineen fysiikka
Wikipedia
Tiiviin aineen fysiikka eli kondensoituneen aineen fysiikka (englanniksi condensed matter physics) käsittelee aineen makroskooppisia ominaisuuksia. Erityisesti se tutkii mitä tapahtuu kun suuri määrä hiukkasia "tiivistyy" yhteen olomuotoon. Olomuoto riippuu hiukkasten välisten vuorovaikutusten suuruudesta ja ominaisuuksista sekä ulkoisista olosuhteista kuten lämpötilasta tai paineesta. Tutuimpia tiiviin aineen muotoja ovat kiinteät ja nestemäiset aineen olomuodot.
Tutkijamäärältään tiiviin aineen fysiikka on suurin fysiikan tutkimusalueista. Sen kehitys liittyy suoraan esimerkiksi elektroniikan ja prosessiteollisuuden kehitykseen. Alaa kutsuttiin pitkään kiinteän olomuodon fysiikaksi, koska suurin osa teorioista kehitettiin kiinteissä aineissa tapahtuvia ilmiöitä tutkittaessa selittämään kidemuotoja, johtavuusominaisuuksia ynnä muita. Alan nimi vakiintui kuitenkin tiiviin aineen fysiikaksi, kun havaittiin että suuri osa kiinteän olomuodon fysiikan tutkimuksessa käytettävistä käsitteistä pystyttiin helposti yleistämään myös nesteiden kuvaukseen.
Tärkein tiiviin aineen fysiikan teoreettinen työkalu on kvanttimekaniikka, jota käytetään kaikilla sen tutkimusalueilla.
Tiiviin aineen fysiikan tutkimusalueita ovat muun muassa:
- Olomuodon muutokset ja kriittiset ilmiöt
- Sähkönkuljetusteoria
- Kidemuodot
- Magnetismi
Suuri osa tiiviin aineen fysiikasta keskittyy sovelluksiin. Tämän lisäksi alan piirissä tutkitaan paljon myös useita eksoottisia ilmiöitä, jotka tyypillisesti ilmenevät matalissa, muutaman kelvinin suuruisissa lämpötiloissa. Näitä ovat
- Bose-Einstein kondensoituminen
- Suprajohtavuus
- Suprajuoksevuus
- Kvantti-Hall ilmiöt
- Makroskooppinen kvanttitunnelointi
- Kondo-ilmiö
Nykyään tiiviin aineen fysiikan tärkeitä tutkimusalueita ovat muun muassa:
- Mesoskooppinen fysiikka
- Korkean lämpötilan suprajohteet
- Kvanttilaskennan realisaatiot
- Magneettiset ilmiöt, kuten spin-kuljetusteoria
- Aineen olomuodot ääriolosuhteissa kuten ultramatalissa lämpötiloissa, suurissa paineissa ym.
- Tiiviin aineen fysiikan ilmiöt biologisissa rakenteissa
Tiiviin aineen fysiikan tutkimus on läheisesti yhteydessä myös materiaalitieteisiin.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Historiaa
Joitain tiiviin aineen fysiikkaan oleellisesti liittyviä historiallisia virstanpylväitä
- 1905 Albert Einstein selittää Brownin liikkeen
- 1908 Heike Kamerlingh Onnes onnistui nesteyttämään Heliumin 4 kelvinissä
- 1911 Heike Kamerlingh Onnes havaitsi suprajohtavuuden elohopeassa
- 1924 Satyendra Nath Bose ja Albert Einstein kuvaavat fotonien statistiikkaa ja ennustavat Bose-Einstein kondensaation
- 1925-1927 Muun muassa Werner Heisenbergin, Erwin Schrödingerin ja Niels Bohrin kehittämän kvanttimekaniikan kehitys avaa mahdollisuuden selittää muun muassa kiinteiden aineiden ominaisuuksia (esim. väri)
- 1927 Friedrich Hund ennustaa kvanttitunneloinnin, jolla on tärkeä merkitys useiden tiiviin aineen fysiikan ilmiöiden selityksessä
- 1930 Douglas Hartree ja Vladimir Fock osoittavat kuinka monihiukkasilmiöitä voidaan kuvata kvanttimekaanisesti
- 1932 Max Knoll ja Ernst Ruska kehättivät elektronimikroskoopin
- 1933 Paul Ehrenfestin teoria toisen asteen olomuodonmuutoksista.
- 1937 Pyotr Kapitza, Allen ja Misener havaitsivat Heliumin supranesteisyyden
- 1941 Lev Landaun teoria supranesteistä
- 1944 Lars Onsagerin teoria olomuodonmuutoksista
- 1948 John Bardeen, Walter Brattain ja William Schockley kehittävät transistorin
- 1957 Suprajohtavuuden teoreettinen selitys, nk. BCS-teoria (John Bardeen, Leon Cooper ja John Schrieffer)
- 1962 Brian Josephson ennustaa Josephson-ilmiön erillisten suprajohteiden välillä
- 1972 David Lee, Douglas Osheroff ja Robert Richardson havaitsevat olomuodonmuutoksen supranesteeksi fermionisessa Helium-3:ssa
- 1980 Klaus von Klitzing havaitsee kvantti-Hall ilmiön
- 1981 Gerd Binnig ja Heinrich Rohrer kehittävät tunnelointimikroskoopin
- 1982 Horst Störmer ja Daniel Tsui löytävät ja 1983 Robert Laughlin selittää murtoluku-kvantti-Hall ilmiön.
- 1985 David Deutschin ideat kvanttilaskennasta
- 1986 Georg Bednorz ja Alexander Müller löytävät korkean lämpötilan suprajohtavuuden
- 1995 Eric Cornell, Wolfgang Ketterle ja Carl Wieman havaitsevat Bose-Einstein kondensoitumisen
- 1999 Japanilainen tutkimusryhmä, muun muassa Yasunobu Nakamura ja Jaw-Shen Tsai, kehittää ensimmäisen kiinteän olomuodon rakenteessa toimivan, suprajohtavuuteen perustuvan kvanttibitin
[muokkaa] Suomalaisia tiiviin aineen fysiikan tutkimusryhmiä
[muokkaa] Teknillinen korkeakoulu
- Fysiikan laboratorio - kokeellista ja laskennallista tiiviin aineen fysiikkaa
- Kylmälaboratorio - nanoelektroniikkaa ja matalien lämpötilojen teoreettista ja kokeellista fysiikkaa
- Optiikka ja molekyylimateriaalit - muun muassa supramolekyylejä ja itseorganisoitumista
[muokkaa] Jyväskylän yliopisto
- Nanotieteen laitos - monitieteistä nanotutkimusta
- Nanofysiikan ryhmä - kokeellista nanoelektroniikkaa
- Nanoelektroniikan ryhmä - suprajuoksevuuden ja atomikaasujen teoriaa, kokeellista molekulaarielektroniikkaa ja sensoreita
- Atomiklusterit ja kvanttipisteet - laskennallista tiiviin aineen fysiikkaa
- Pehmeän tiiviin aineen fysiikan ryhmä - tilastollista fysiikkaa
[muokkaa] Oulun yliopisto
- Kondensoidun aineen teoria - nanoelektroniikan teoriaa
[muokkaa] Tampereen teknillinen yliopisto
- Laskennallisen fysiikan tutkimusryhmä
- Puolijohdefysiikan ryhmä - laskennallista puolijohdefysiikkaa
- Pintatiederyhmä - Pintojen ominaisuuksien tutkimusta
[muokkaa] Turun yliopisto
- Materiaalitieteen laboratorio - Pintatutkimusta
- Teoreettinen fysiikka - Muun muassa laskennallista materiaalifysiikkaa
- Wihurin fysiikan tutkimuslaboratorio - Kokeellista magnetismin, korkean lämpötilan suprajohtavuuden ja elektronitunnelointispektroskopian tutkimusta
[muokkaa] Åbo Akademi
- Fysiikan laitos - Teoreettisesti muun muassa kiinteiden aineiden optisia ominaisuuksia, korkean lämpötilan suprajohtavuutta ja perkolaatiota, kokeellisesti molekulaarista elektroniikkaa ja Mössbauer-spektroskopiaa
[muokkaa] Helsingin yliopisto
- Röntgenfysiikan osasto - Polymeerien, biomateriaalien, suprajohteiden, nesteiden ja magneettisten materiaalien rakennetutkimusta röntgensäteilyä käyttäen
- Kiihdytinlaboratorio - Nanoteknologia, laskennallinen fysiikka
[muokkaa] Kirjallisuutta
- N. Ashcroft ja D. Mermin: Solid state physics - 1976 ilmestynyt alan kattavimpia teoksia (englanniksi)
