Tiiviin aineen fysiikka

Tiiviin aineen fysiikka eli kondensoituneen aineen fysiikka (engl. 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.

Tiiviin aineen fysiikka
Grafeeni on hiiliatomeista muodostunut kaksiulotteinen rakenne. Siinä atomit muodostavat kuusikulmioista koostuvan hilan. Grafeenilla on monia mielenkiintoisia ominaisuuksia - siinä muun muassa elektronit näyttäytyvät massattomina Diracin hiukkasina.
Avainaiheita	Aineen olomuodot Olomuodonmuutokset Sähkön tai lämmön kuljetusominaisuudet
Aineen olomuotoja	Kiinteä aine, Neste, Kaasu, Plasma, Fermikaasu, Fermineste, Luttingerin neste, Supraneste, Supersolidi, Suprajohde, Ferromagneetti, Antiferromagneetti, Bosekondensaatti, Fermionikondensaatti
Sähköisiä ominaisuuksia	Johde, Eriste, Puolijohde, Suprajohde
Sähköisiä ilmiöitä	Hall-ilmiöt, Ferrosähköisyys, Kondo-ilmiö, Lämpösähköilmiöt
Magneettisia ominaisuuksia	Paramagnetismi, Diamagnetismi, Ferromagnetismi, Antiferromagnetismi, Spin-lasi
Kuuluisimmat tieteilijät	Lev Landau, Enrico Fermi, John Bardeen, Ludwig Boltzmann, Philip Anderson

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.

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

Tiiviin aineen fysiikan tutkimus on läheisesti yhteydessä myös materiaalitieteisiin.

Tiiviin aineen tutkimusalat

Tiiviin aineen fysiikan tutkimusalueita ovat muun muassa:

• Olomuodon muutokset ja kriittiset ilmiöt
• Sähkönkuljetusteoria
• Kidemuodot
• Magnetismi

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 tai suurissa paineissa
• Tiiviin aineen fysiikan ilmiöt biologisissa rakenteissa

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 (esimerkiksi väri)
• 1927 Friedrich Hund ennustaa kvanttitunneloinnin, jolla on suuri 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 kehittivät elektronimikroskoopin
• 1933 Paul Ehrenfestin teoria toisen asteen olomuodonmuutoksista.
• 1937 Pyotr Kapitsa havaitsi heliumin supranesteisyyden
• 1941 Lev Landaun teoria supranesteistä
• 1944 Lars Onsagerin teoria olomuodonmuutoksista
• 1948 John Bardeen, Walter Brattain ja William Shockley kehittävät transistorin
• 1957 Suprajohtavuuden teoreettinen selitys, nk. BCS-teoria (John Bardeen, Leon Cooper ja John Schrieffer)
• 1962 Brian Josephson ennustaa Josephsonin ilmiön erillisten suprajohteiden välillä
• 1972 David Lee, Douglas Osheroff ja Robert Coleman 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 Johannes Georg Bednorz ja Karl Alexander Müller löytävät korkean lämpötilan suprajohtavuuden
• 1991 Sumio Iijiman tutkimusryhmä NECissä Japanissa syntetisoi ja mittaa hiilen nanoputkia
• 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
• 2004 Andre Geimin ryhmä Manchesterin yliopistossa onnistuu eristämään yksittäisen grafiittitason, grafeenin ja mittaamaan sen ominaisuuksia.

Katso myös

• Suomalaisia tiiviin aineen fysiikan tutkimusryhmiä

Kirjallisuutta

• Ashcroft, N. & Mermin D.: Solid state physics – 1976 ilmestynyt alan kattavimpia teoksia (englanniksi)