Faststoffysik er et delområde af fysikken, der vedrører egenskaber ved kondenseret (fortættet) stof i alle dets mangeartede former. Historisk set har faststoffysikken sit udgangspunkt i studiet af krystallinske stoffers opbygning og deres termiske, elektriske og mekaniske egenskaber. Men fagområdet omfatter ud over krystallinske stoffer bl.a. også amorfe og bløde materialer uden krystallinsk orden, flydende krystaller, atomare gasser kondenseret i en fælles kvantetilstand og todimensionale elektrongasser i heterostrukturer.

Faktaboks

Også kendt som

kondenseret stofs fysik

Historisk udvikling

Faststoffysikken tog sin begyndelse i 1912 med opdagelsen af røntgendiffraktion i krystaller. Da røntgenstrålers bølgelængde er af samme størrelsesorden som afstanden mellem naboatomer i krystallinske stoffer, giver målingen af strålernes afbøjning et detaljeret billede af de faste stoffers struktur. Den periodiske orden af atomerne i en krystal er grundlaget for at kunne beskrive faste stoffers egenskaber ved enkle, men slagkraftige modeller.

Kvantemekanikkens fremkomst i 1925 og dens anvendelse på faste stoffer, der indledtes ca. 1930, gav nøglen til forståelsen af krystallernes elektronstruktur og deres termiske og elektriske egenskaber. Eksistensen af et periodisk potential, der skyldes de regelmæssigt placerede atomer, giver anledning til, at elektronernes mulige energiniveauer grupperer sig i bånd, der kan være enten helt eller delvist besat med elektroner. Hermed var vejen banet for en forståelse af metallers, halvlederes og isolatorers karakteristiske egenskaber, og faststoffysikken gik ind i en rivende udvikling, der blandt andet førte til transistorens opfindelse i 1947.

Også fænomener som magnetisme og superledning må beskrives på grundlag af kvantemekanikken, og også for disse er udviklingen sket i et tæt samspil mellem teori og eksperiment. Gennembruddet i forståelsen af superledning kom i 1957, men med opdagelsen af nye superledende materialer (nobelpris 1987) er der stadig mange uafklarede spørgsmål om superledernes virkemåde. Grundstoffer udviser stor variation i deres magnetiske og superledende egenskaber (der normalt udelukker hinanden), og denne righoldighed øges dramatisk, når materialer er sammensat af to eller flere grundstoffer.

Rendyrkning af krystaller, køling til meget lave temperaturer og brug af højvakuum er eksempler på, hvorledes udviklingen af eksperimentelle metoder har været afgørende for faststoffysikkens stærke vækst og dens mangfoldige anvendelser, der præger nutidens samfund. Fra opfindelsen af transistoren til de integrerede kredsløb og deres anvendelse i computeren går der en lige linje, hvor udviklingen er båret af indsigten i stoffernes egenskaber på atomart niveau og evnen til at påvirke disse ved brug af raffinerede eksperimentelle teknikker.

Den fremtidige udvikling af det kondenserede stofs fysik må forventes at være præget ikke mindst af de mange nye materialer, det er blevet muligt at fremstille. Komplekse strukturer som legeringer, glasser, amorfe halvledere og polymerer spiller en stigende rolle, også fordi brug af computersimulering har gjort sådanne systemer tilgængelige for en detaljeret teoretisk analyse.

Nanoteknologien, der igennem de sidste årtier af 1900-tallet har gjort det muligt at opbygge meget veldefinerede strukturer over afstande på få atomradier, har yderligere bidraget til mangfoldigheden. Tager man ved lære af faststoffysikkens historie, er der al mulig grund til at forvente, at nye og overraskende fænomener vil dukke op som resultat af materialernes øgede diversitet og de dramatiske forbedringer i eksperimentelle metoder som fx røntgendiffraktion eller tunnelmikroskopi.

Faststoffysikkens begreber

Orden og symmetri er gennemgående begreber i de faste stoffers fysik. I en krystal sidder atomerne regelmæssigt ordnet, således at de danner et gitter. Det simplest tænkelige er et kubisk gitter, hvor hvert atom er omgivet af seks nærmeste naboer, men i mere almindeligt forekommende gitre er hvert atom omgivet af otte eller tolv nærmeste naboer. Årsagen hertil skal søges i de kræfter, hvormed atomerne påvirker hinanden, idet atomerne ved tilstrækkeligt lave temperaturer anbringer sig således, at den samlede energi bliver mindst mulig.

Ordnede krystaller udviser bestemte symmetrier, fx over for parallelforskydning af atomerne igennem en gitterafstand eller en drejning om en akse på 120°. Amorfe stoffer besidder derimod ikke sådanne symmetrier, og flydende krystaller kun i begrænset omfang. I visse materialer, fx beta-messing, der er en legering af lige dele kobber og zink, kan man, når temperaturen falder under en vis værdi, iagttage en faseovergang fra en uordnet tilstandsform, hvor atomerne sidder tilfældigt, til en ordnet tilstandsform, hvori de to typer atomer fortrinsvis besætter positioner i hvert sit delgitter. Graden af orden vokser med aftagende temperatur.

Noget tilsvarende gælder den superledende tilstandsform af metaller. Man kan opfatte denne som en ordnet fase, hvori metallets ledningselektroner danner par, der kan kondensere i en fælles kvantetilstand. Antallet af sådanne par øges, når temperaturen aftager. Beslægtede fænomener er superfluiditeten af flydende helium og Bose-Einstein-kondensation, hvor et stort antal atomer i en gas kan bringes til at besætte samme kvantetilstand. Studiet af sådanne makroskopiske kvantefænomener kræver lave temperaturer, idet kondensationen modvirkes af partiklernes termiske bevægelse. Smeltning er en anden type faseovergang, hvor atomernes regelmæssige placering forsvinder ved opvarmning over en bestemt temperatur.

Det har vist sig meget frugtbart at beskrive faste stoffers egenskaber vha. begrebet kvasipartikler eller elementære excitationer. Eksempelvis kan svingningerne af krystalgitrets atomer om deres ligevægtspositioner beskrives ved at angive antallet af fononer ("lydkvanter") hørende til bestemte normalsvingninger. Fononens energi er en funktion af dens bølgelængde, akkurat som energien af en foton afhænger af lysets bølgelængde. Tilsvarende indfører man begrebet magnon som en partikel, hvis energi svarer til energien af en bølgeformet forstyrrelse af de magnetiske momenter i et ordnet magnetisk materiale.

Ledningselektronerne i metaller opfattes som kvasipartikler, for hvilke sammenhængen mellem energi og impuls adskiller sig fra den, der kendetegner en enkelt, frit bevægelig elektron. Årsagen hertil er elektronernes indbyrdes vekselvirkning, der også giver anledning til, at kvasipartiklerne henfalder, dvs. får en endelig levetid. Andre eksempler er plasmoner og excitoner.

Grundtanken bag indførelsen af disse forskellige "-oner" er, at de forenkler beskrivelsen af faste stoffer og andre kondenserede systemer betydeligt. I stedet for at opfatte faste, krystallinske stoffer som en samling af tætpakkede atomer, der vekselvirker kraftigt indbyrdes, kan man repræsentere dem som en "gas" af relativt svagt vekselvirkende kvasipartikler. De termiske egenskaber af fx en siliciumkrystal er således bestemt af fononerne, opfattet som uafhængige partikler, ligesom den elektriske ledningsevne af metallisk aluminium primært er begrænset af ledningselektronernes vekselvirkning med fononerne.

Et andet eksempel på en kvasipartikel af mere eksotisk karakter er en "composite fermion", dvs. en sammensat fermion, hvis eksistens afspejler sig i den kvantiserede Hall-effekt. I todimensionale elektrongasser, der befinder sig i et ydre magnetfelt, er Hall-effekten kvantiseret (nobelpriser 1985 og 1998) i den forstand, at den elektriske modstand, målt vinkelret på strømmens retning, udviser karakteristiske plateauer (trin) som funktion af magnetfeltets styrke. Plateauernes beliggenhed kan forklares ved at repræsentere de stærkt vekselvirkende elektroner i det ydre magnetfelt ved "composite fermions", der hver bærer et lige antal magnetiske fluxkvanter og dermed vekselvirker svagt. Man har fx målt disse kvasipartiklers ladning, spin og masse, og man har studeret deres egenskaber under omstændigheder, hvor de effektivt bevæger sig helt frit, som om der slet ikke er et ydre magnetfelt til stede.

Faste stoffer er makroskopiske i den forstand, at de indeholder et meget stort antal partikler. Det er derfor undertiden hensigtsmæssigt at beskrive dem vha. den klassiske fysiks begreber. Den klassiske elasticitetsteori er et uundværligt hjælpemiddel til forståelsen af stoffernes mekaniske egenskaber over afstande, der er store i forhold til afstanden mellem naboatomer. Metallernes optiske egenskaber analyseres i et samspil mellem klassisk elektrodynamik og mikroskopiske modeller for polarisationen af stoffets enkelte atomer eller molekyler.

Selvom faste stoffer naturligvis altid har været kendt af mennesket, er det først med fremkomsten af kvantemekanikken, at de faste stoffers fysik har fået karakter af et selvstændigt emneområde. Kvantemekanikken og den statistiske mekanik udgør tilsammen det værktøj, der gør det muligt at knytte de målte egenskaber af faste stoffer sammen med teoretiske beregninger baseret på mikroskopiske modeller.

Aktuelle eksempler

Det kondenserede stofs fysik er så langt det største af fysikkens store emneområder, og det er naturligvis helt umuligt at give en kortfattet, dækkende beskrivelse af dets mange delområder, der er under stadig ændring. Spændvidden inden for området kan illustreres med aktuelle eksempler som optiske fibre, mikromaskiner, superledende materialer og magnetoelektronik.

De nævnte eksempler illustrerer, hvorledes det kondenserede stofs fysik danner grundlag for en mængde af de teknologiske nydannelser, der præger vores hverdag. Muligheden for at opbygge veldefinerede strukturer på både mikro- og nanoskala har ført til mange overraskende nyudviklinger og til en opblomstring af helt nye emneområder inden for det kondenserede stofs fysik, og der er intet tegn på, at denne proces er ved at stoppe.

Forskningen i Danmark

Faststoffysikken kom relativt sent i gang i Danmark i forhold til en række andre europæiske lande og USA. Det skyldtes til dels den stærke tradition for kerne- og partikelfysik, der fandtes på Niels Bohr Institutet. I begyndelsen af 1960'erne oprettedes imidlertid flere faststoffysiske laboratorier på Københavns Universitet og Den Polytekniske Læreanstalt (det senere DTU), hvis forskning var centreret omkring normale metaller, halvledere og superledere. Samtidig indledte forskere på Forskningscenter Risø en række studier af faste stoffers struktur og dynamik ved brug af forsøgsreaktoren DR3s neutroner, mens forskere på Aarhus Universitet undersøgte kanaliseringen af ladede partikler i faste stoffer.

Igennem 1970'erne skete en yderligere vækst. Den teoretiske faststoffysik fik fodfæste på NORDITA, og de eksperimentelle aktiviteter øgedes betydeligt på Risø. Et bredt spektrum af nye emner blev taget op som fx faseovergange, magnetisme, elektronstruktur, superledning, superfluiditet og mange andre. Til forskel fra kerne- og partikelfysik, hvor op til flere hundrede fysikere kan samarbejde om et bestemt projekt, foregår den eksperimentelle forskning i faststoffysik normalt i små grupper med to til fire medarbejdere. Ved de nye universiteter i Odense, Aalborg og Roskilde fik det kondenserede stofs fysik fra starten en fremtrædende placering med emner som overfladefysik, metaloptik og amorfe stoffer.

Skal man i dag (2002) opsummere den danske indsats inden for det kondenserede stofs fysik, er den største ændring i forhold til 1970'erne at finde i etableringen af helt nye forskningsmiljøer. På DTU oprettedes i 1990 Mikroelektronik Centret og i 1998 Center for Kommunikation, Optik og Materialer (COM). En række danske virksomheder som Haldor Topsøe og NKT har etableret selvstændige forskningsafdelinger, hvor faststoffysik indgår i samspil med fx overfladekemi eller optik. På Risø drives en omfattende materialefysisk forskning i bl.a. superledning, magnetisme, polymere og biologiske systemer.

Med lukningen af forsøgsreaktoren DR3 på Risø i 2000 er det ikke længere muligt i Danmark at benytte neutronspredning til undersøgelse af stoffers struktur og dynamik. Imidlertid har de fælleseuropæiske synkrotronstrålingsanlæg i Hamburg og Grenoble givet øgede muligheder for spektroskopiske undersøgelser ikke blot af faste stoffer, men også af tynde film og materialer af biofysisk interesse. På universiteterne i Aarhus og København har der været en udbygning af eksperimentelle faciliteter til brug for nanoteknologi, et felt, der er i fortsat vækst i både Danmark og udlandet.

Læs mere i Den Store Danske

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig