Физика конденсированного состояния

Современная физика многих тел[править | править код]

Магнит, парящий над поверхностью высокотемпературного сверхпроводника. Некоторые физики работают, чтобы понять высокотемпературную сверхпроводимость, используя AdS/CFT соответствие^[34].
Модель Зоммерфельда и спиновые модели ферромагнетизма иллюстрируют успешное применение квантовой механики к задачам конденсированного состояния в 1930-х годах. Тем не менее, все ещё оставалось несколько нерешённых проблем, в частности, описание сверхпроводимости и эффекта Кондо^[35]. После Второй мировой войны несколько идей из квантовой теории поля были применены к проблемам конденсированного состояния. Они включали открытие коллективных мод возбуждений в твёрдых телах, называемые квазичастицами. Российский физик Лев Ландау использовал идею созданной им теории ферми-жидкости, в которой низкоэнергетические свойства взаимодействующих фермионных систем были даны в терминах квазичастиц Ландау. Ландау также разработал теорию среднего поля для непрерывных фазовых переходов, в которой упорядоченные фазы описаны как спонтанное нарушение симметрии. Теория также ввела понятие параметра порядка, чтобы различать упорядоченные фазы. В итоге, в 1965 году Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер разработали так называемую БКШ-теорию сверхпроводимости, основанную на открытии, что сколь угодно малое притяжение между двумя электронами с противоположно направленными спинами, переносимое фононами решётки, может привести к возникновению связанного состояния называемого куперовской парой^[36].

Квантовый эффект Холла: компоненты сопротивления Холла как функция внешнего магнитного поля^{[37]:Рис. 14}.
Изучение фазового перехода и критического поведения параметров, называемых критическими явлениями, было основной областью интересов в 1960-х годах^[38]. Лео Каданов, Бенджамин Видом и Майкл Фишер развили идеи критических показателей и масштабирования Видома. Эти идеи были объединены Кеннетом Г. Вильсоном в 1972 году в рамках формализма ренормгруппы в контексте квантовой теории поля^[39]. Ренормгруппа формулируется в контексте так называемого механизма Каданова, соответствующего возможности эквивалентного описания свойств макроскопического образца в окрестности точки фазового перехода с помощью последовательности различных микроскопических моделей, связанных между собой преобразованием изменения величины "элементарного" микроскопического масштаба (например, постоянной кристаллической решетки) при одновременном подходящем изменении констант взаимодействия^[40].
Квантовый эффект Холла был открыт Клаусом фон Клитцингом в 1980 году, когда он обнаружил, что проводимость Холла в двумерной проводящей системе является целым кратным фундаментальной постоянной �2/ℎ  (см. рисунок). Эффект не зависит от таких параметров, как размер системы, и наличия примесей^[37]. В 1981 году Роберт Лафлин предложил теорию, объясняющую непредвиденную точность холловских плато. В ней подразумевалось, что проводимость Холла можно охарактеризовать в терминах топологического инварианта, называемого числом Чжена^{[41]:69, 74}. Вскоре после этого в 1982 году Хорст Штермер и Даниэль Цуи наблюдали дробный квантовый эффект Холла, где проводимость была рациональным числом кратным постоянной �2/ℎ . Лафлин в 1983 году понял, что это следствие квазичастичного взаимодействия в холловских состояниях и нашёл решение используя вариационный метод, названное впоследствии волновой функцией Лафлина^[42].
В 1986 году Карл Мюллер и Йоханнес Беднорц открыли первый высокотемпературный сверхпроводник — материал, который был сверхпроводящим при температурах до 50 Кельвинов. Выяснилось, что высокотемпературные сверхпроводники являются примерами сильно коррелированных материалов, в которых электрон-электронные взаимодействия играют важную роль^[43].
Теория[править | править код]
Теоретическая физика конденсированных сред предполагает использование теоретических моделей для понимания свойств состояний вещества. К ним относятся модели для изучения электронных свойств твёрдых тел, такие как модель Друде, зонная теория и теория функционала плотности. Были также разработаны теоретические модели для изучения физики фазовых переходов, такие как теория Гинзбурга — Ландау, критические показатели и использование математических методов квантовой теории поля и ренормгруппы. Современные теоретические исследования включают использование численных расчётов электронной структуры и математических инструментов для понимания таких явлений, как высокотемпературная сверхпроводимость, топологические фазы и калибровочные симметрии^[44][45][46].