Physik kondensierter Materie

Kondensierte Materie bezeichnet in den Naturwissenschaften Materie in gebundenem Zustand, im Gegensatz zum gasförmigen Zustand.

Erste Brillouin-Zone eines FCC-Gitters

Die Physik der kondensierten Materie unterscheidet sich aufgrund der gegenseitigen Wechselwirkung der Bausteine der Materie erheblich von der freier Teilchen (Elementarteilchenphysik, Kernphysik, Atomphysik). Die theoretische Beschreibung basiert auf der Vielteilchentheorie. Viele Phänomene wie Deformierbarkeit, magnetische Ordnung, oder elektrische Leitfähigkeit gehen auf eine bestimmte Ordnung der Wechselwirkung zwischen den Bausteinen der kondensierten Materie zurück. Sie sind daher in kondensierter Materie ganz anders zu behandeln als bei freien Teilchen oder treten bei kondensierter Materie überhaupt erst auf.

Die Behandlung der Physik kondensierter Materie ist dadurch gekennzeichnet, dass die große Anzahl der Teilchen, die das zu beschreibende System (Festkörper oder Flüssigkeit) bilden, eine elementare Lösung der einzelnen Bewegungsgleichungen ausschließt. An die Stelle einer Beschreibung der Zustände der einzelnen Teilchen des Systems treten stattdessen Aussagen über Häufigkeiten (beziehungsweise normiert auf die Anzahl der möglichen Zustände: Wahrscheinlichkeiten), mit denen bestimmte Zustände beliebiger Teilchen im System auftreten.

In Festkörpern sind besonders Korrelationen unterschiedlichster Art von Interesse (zum Beispiel langreichweitige Korrelation der Atompositionen selbst $\Rightarrow$ Kristallgitter, oder Korrelation der Elektronenspins $\Rightarrow$ magnetische Ordnung wie Ferromagnetismus und Antiferromagnetismus).

Ein wichtiges Hilfsmittel bei der Behandlung von Verformungen in kondensierter Materie stellt die Kontinuumsmechanik dar.

Die Konzepte der Physik kondensierter Materie werden weit über den Bereich fester und flüssiger Materie hinaus angewandt (Beispiele: Risikomanagement, Versicherungsstatistik, Neuronale Netze).

Sachgebiete

Festkörperphysik

kristallines Siliciumcarbid

Die Festkörperphysik befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand. Von besonderer Bedeutung sind dabei kristalline Festkörper, das sind solche, die einen translationssymmetrischen (periodischen) Aufbau aufweisen, da diese Translationssymmetrie die Behandlung vieler physikalischer Phänomene drastisch vereinfacht oder sogar überhaupt erst ermöglicht. Daher erfolgt die Anwendung des Modells des idealen Kristallgitters häufig auch dann, wenn die Bedingung der Periodizität nur sehr eingeschränkt, zum Beispiel nur sehr lokal erfüllt ist. Die Abweichung von der strengen Periodizität wird dann durch Korrekturen berücksichtigt.

atomare Struktur von Glas

• Die Physik kristalliner Festkörper befasst sich mit Festkörpern, die einen periodischen Aufbau aufweisen.
  • Die Kristallstruktur repräsentiert die statische periodische Ordnung im kristallinen Festkörper.
  • Die Gitterschwingungen beschreiben die Dynamik in der kristallinen Ordnung. Ihre Beschreibung verwendet häufig das Modell der Quasiteilchen. Bei Gitteranregungen werden diese Phononen genannt.
  • Die auf die Elektronenhülle der regelmäßig angeordneten Atome zurückgehenden Eigenschaften führen zu Bändermodell und Bandstruktur, deren Parameter diverse makroskopische Eigenschaften (Optik usw.) berechenbar machen.
  • Die Magnetische Ordnung repräsentiert die statische Ordnung der magnetischen Momente im Festkörper (Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus, Spindichtewellen, Magnetooptik etc.).
  • Die magnetischen Anregungen beschreiben die Dynamik der magnetischen Ordnung. Die zugehörigen Quasiteilchen heißen Magnonen.
• Die Physik amorpher Festkörper befasst sich mit Festkörpern, die keine Fernordnung aufweisen.
  • Glas
  • unterkühlte Schmelze
• Die Grenzflächenphysik befasst sich mit den Besonderheiten an Oberflächen.
  • Die Oberflächenphysik ist ein Spezialfall der Grenzflächenphysik, bei Grenzflächen zum Vakuum.

Physik der Flüssigkeiten

Die Physik der Flüssigkeiten befasst sich mit Materie im flüssigen Aggregatzustand. Die Bausteine der Flüssigkeit weisen eine hohe gegenseitige Beweglichkeit auf (Translation und Rotation).

Weiche kondensierte Materie

Polarisationsmikroskopische Aufnahme eines Flüssigkristalls

Unter dem Begriff der weichen kondensierten Materie fasst man Stoffe zusammen, die sich durch zwei wesentliche Merkmale von der „harten Materie“ kristalliner Festkörper unterscheiden:

• Einerseits befindet sich die charakteristische Längenskala in der Größenordnung von Molekülen, also in einem Bereich zwischen 1 nm und 1 µm. Die grundlegenden Bausteine der weichen Materie besitzen also eine komplexe Substruktur.
• Andererseits unterliegen diese Bausteine starken thermischen Fluktuationen, so dass die relevante Energieskala durch die thermische Anregungsenergie k_BT gesetzt wird. Die hier auftretenden Energien sind also erheblich kleiner (typischerweise einige meV) als bei der harten Materie, wo sie im Bereich von einigen Elektronenvolt (eV) liegen.

Zur weichen Materie zählen vor allem amorphe Substanzen, die keine langreichweitige kristalline Ordnung besitzen, wie: Polymere, Flüssigkristalle, Kolloide und Membranen.

Systeme (exemplarisch)

• Legierungen

Silicium – heute bedeutendster Halbleiter

• Metalle
• Halbleiter
• Isolatoren
• Spin-Gläser
• Polymere
• Membranen
• Übergitter

Phänomene (exemplarisch)

Ein Magnet schwebt über einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Hochtemperatursupraleiter (ca. −197 °C).

• Effektive Masse (von Quasiteilchen)
• Ferroelektrizität
• Bändermodell
• Elektrische Leitfähigkeit
• Suprafluidität
• Supraleitung
• Magnetismus
• Hall-Effekt, Quanten-Hall-Effekt
• Fotoleitung
• Kondo-Effekt
• RKKY-Kopplung
• Bose-Einstein-Kondensation
• Phasenübergänge
• Frequenzverdopplung

Literatur

• Ch. Kittel: Einführung in die Festkörperphysik. 14. Auflage. R. Oldenbourg Verlag, München 2005, ISBN 3-486-57723-9
• N. W. Ashcroft, N. D. Mermin: Festkörperphysik. 3. Auflage. R. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, München 2007, ISBN 978-3-486-58273-4
• H. Ibach, H. Lüth: Festkörperphysik. 6. Auflage. Springer Verlag, Berlin 2002, ISBN 3-540-42738-4
• K. Kopitzki, P. Herzog: Einführung in die Festkörperphysik. Teubner Verlag. ISBN 978-3835101449
• G. Czycholl: Theoretische Festkörperphysik. Springer Verlag. ISBN 978-3540747895

Weblinks

• Britney's Guide to Semiconductor Physics (englisch)