Fizika XX veka: Trijumf fizike čvrstog stanja

Zoran V. Popović

Centar za fiziku čvrstog stanja i nove materijale Instituta za fiziku

1. Uvod2. Progres FKS u XX veku 3. Zaključak

Uvod Početkom XX veka mnoge oblasti fizike, kao na primer: kristalografija,

metalurgija, elastičnost, magnetizam, itd, su se razvijale kao autonomne oblasti nauke.

Tek 40.tih godina XX veka različite oblasti istraživanja svojstava čvrstih materijala se “udružuju” u novu naučnu disciplinu nazvanu FIZIKA ČVRSTOG STANJA (FČS)

Šezdesetih godina XX veka u FČS se uključuju i istraživanja fizičkih osobina tečnosti. Tako FČS postaje FIZIKA KONDENZOVANOG STANJA (FKS).

Prvi kurs pod nazivom Fizika čvrstog stanja uveden je na Harvard-Univerzitetu 1949.g., na inicijativu J.H. Van Vleck-a. Predavač je bio W. Kohn, a kurs je baziran na knjizi F. Seiz: Modern Theory of Solids (1940.g.).

Prvi kurs fizike čvrstog stanja kod nas organizovan je 1964. godine kroz poslediplomsku nastavu na smeru Fizika materijala na Elektrotehničkom fakultetu, a koja se odvijala zajedno sa Fizičkim fakultetom.

Prvi udžbenici bili su:

D.A. Tjapkin: Elektronska fizika čvrstog tela, IBK’Vinča, 1963-tom I, 1964-t.II D.A. Tjapkin: Fizička elektronika čvrstog tela, ZIU,1971. C. Kittel: Introduction to solid state physics (preveli na srpski A. Mutavdžic i Z.D.

Popović), redaktori M. Napijalo i D. Tjapkin, SA-Beograd,1970.

Institut za fizikuUredbom o osnivanju Instituta za fiziku (potpisana 25. marta 1961, a objavljena u Službenom glasniku Narodne Republike Srbije 6. maja 1961. godine) određeni su zadaci Instituta (član 4 Uredbe):

Zadaci Instituta jesu:

1. Da naučnim metodama radi na proučavanju, istraživanju i rešavanju svih pitanja u oblasti fizike, a posebno:

Da proučava fiziku čvrstih tela Da proučava procese pražnjenja u gasovima Da proučava pojedine delove u oblasti nuklearne fizike, Da radi na proučavanju teorijske fizike, a posebno na proučavanju istorije i

filozofije fizike, Da pronalazi mogućnosti i oblike primene naučnih rezultata.

2. Da organizuje različite oblike naučnog rada i stručnog usavršavanja i da pomaže u organizovanju i izvođenju trećeg stepena nastave

O istorijatu razvoja FČS u IF-u i šire (kod nas) biće više reči povodom proslave desetogodišnjice Centra za fiziku čvrstog stanja i nove materijale, a koja će biti održana 24. maja 2005.g.

Najznačajnija dostignuća u fizici – Nobelova nagrada za fiziku -

Era klasične fizike Rana kvantna mehanika Kvantno-mehanička revolucija Poluprovodničke naprave i strukture Superprovodnost i superfluidnost

(Fizika niskih temperatura) Makroskopski kvantni fenomeni Teorijski doprinosi Eksperimentalne metode

Poslednje godine ere klasične fizike

W.C. Röntgen (1825-1923)

1896.-otkriće x-zraka

M. Von Laue (1879-1960)

1912- otkriće talasne prirode x-zrakaW. L. Bragg(1890-1971)

1914-otkriće difrakcije na kristalima2dhklsin=Bragov zakon

1901

1914

1915

Na bazi Laueovog otkrića Max Born i saradnici razvili su 1910. g. model za izračunavanje kohezione energije alkali-halida (A+B-) kao i klasičnu teoriju vibracija rešetke. Uveli su pojam normalne koordinate vibracionih modova, akustične i optičke disperzione grane, itd.

Valja pomenuti i doprinose P. Drude-a i H. A. Lorentz-a razumevanju svojstava metala.

Rana kvantna mehanika MAX KARL ERNST LUDWIG PLANCK

(1858-1947)"kao priznanje za njegov doprinos napretku fizike otkrićem kvantovanja energije“ (1918)

ALBERT EINSTEIN

(1879-1955) "za doprinose u teorijskoj fizici, specijalno za otkriće fotoelektričnog efekta“ (1921)

kijon EAEh

)1/(3 / kTe

1905.g. Ajnštajn je razvio koncept fotona radi objašnjenja fotoefekta

1907.g. Ajnštajn je objasnio zašto specifična toplota rešetke teži nuli kada T teži nuli

1912.g. P. Debye poboljšao Ajnštajnov rezultat i pokazao da specifična toplota pri vrlo niskim temperaturama ima T3 zakonitost.

Kvantno-mehanička revolucija

)()()(2 ,,,

22

rrrm knknknper

)()( rr perper

rikknkn erur )()( ,,

Borova teorija – primenljiva samo za jednoelektronske sisteme

Čvrsti materijali imaju ~ 1023 elektrona I jezgara koji međusobno reaguju S obzirom da je me/Mj ~10-5 dinamika elektrona i jezgara se mogu odvojeno

tretirati. • Dinamika elektrona za fiksne pozicije jezgra (ukupna energija,

magnetizam, optičke osobine, itd.)• Dinamika jezgara (dinamika rešetke, atomska difuzija itd.) Odstupanje od ovog koncepta su sistemi u kojima je uključena elektron-

fonon interakcija ((T), superprovodnost,..)Somerfeld je 1928.g. predložio kvantno-mehanički model za slobodne

elektrone u metalu. Talasna funkcija elektrona opisivana je u obliku ravanskog talasa, a u razmatranje su uklj’;eni i Paulijev princip isključivosti, kao i periodičnost i simetrija kristala. Glavni nedostaci ove teorije metala bili su nemogućnost objašnjenja temperaturske zavisnosti specifične električne otpornosti i “pogrešnog” znaka Holovske konstante kod nekih materijala.

F. Bloch je iste godine (1928.g.) predložio model po kojem se elektron tretira kao nezavisna čestica koja se kreće u efektivnom potencijalu V(r),

a koji odražava periodičnost i simetriju rešetke.

To je dovelo do uvođenja koncepta Blohovih talasa i enegetskih zona:

Zonska teorija

Od 1928 do 1950-tih zonski model je postao osnovni koncept za objašnjenje elektronske strukture čvrstih materijala (najjednostavnijih) i neophodna karika ka poluprovodničkoj revoluciji.

Tek 60-tih godina XX veka razvija se tzv. Density function theory (DFT) (razmatra se gustina elektrona n(r) umesto više-elektronske talasne funkcije . LDA- aproksimacija. Ovaj koncept omogućuje parameter-free proračune gustina elektrona i spina, strukture i parametara rešetke, koeficijenata elastičnosti, izlaznog rada elektrona (work function) , površinskih energija, fononskih disperzionih relacija, magnetski momenat itd.

Poluprovodnička revolucija:prethodna istraživanja Teorija zonske strukture za energije elektrona u kristalima

(E. Wigner, F. Seitz, J. Slater: zonalna struktura realnih supstanci: Na, NaCl,..)

Koncept poluprovodnika (dopiranje primesama) bio je poznat sredinom 30.-tih godina XX veka.

Istih godina su realizovane prve čvrstotelne naprave (CuO2 ispravljači korišćeni za AC/DC konvertore i varistore u telefoniji).

1939-40. prvi eksperimenti sa čvrstotelnim pojačavačima sa dodatkom treće elektrode realizovani na CuO2, PbS i CdS nisu bili uspešni (nesavršenost materijala)

Tokom II svetskog rata Si i Ge (monokristali) postaju nezamenljivi u izradi GHz-nih ispravljača za radarske prijemnike. Tih godina su već proizvođeni (DuPont) monokristali Si čistoće 99.99%.

Poluprovodnička revolucija: Glavni akteri

"for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect"

W.B. Shockley J. Bardeen

W.H. Brattain Zh.I. Alferov J. S. Kilby

H. Kroemer

"for developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and opto-electronics"

"for his part in the invention of the integrated circuit"

1956 2000

Prvi tranzistor

•1945.g Bell Laboratorije pokreću projekat OSNOVNIH istraživanja sa ciljem da se realizuju čvrstotelne naprave koje bi zamenile elektronske cevi i elektromehanička relea.•Decembra 1947 demonstriran je rad prvog tranzistora. Pojačanje 18 puta. Ovo otkriće se danas smatra za najveće otkriće (bar u FČS) u XX veku. •Point-contact transistor (J. Bardeen, W.H. Brattain)•Junction transistor (FET) W. Shockley

•B. Davydov, još 1938.g. razvio teoriju p-n spoja i proračunao U-I karakteristike

v1

v2

+

_

+

_

Opruga

Germanijum n-tipa

Metalna podloga

Polistirenski klin

Zlatna folija

Ulaz

Izlaz

p-tip inverzioni sloj

Germanijum n-tipa

Metalna podloga

Opruga

Polistirenski klin

Zlatna folija

Ulaznisignal Izlazni

signal

V1

I1 I2

V2

+

+

Progres u čvrstotelnoj tehnologiji

1950 19701960 1980 1990

2000

1 mm 10 m 100 nm 1 nm

A B C D E

Nanonauka

Uticaj dimenzionalnosti

MBE

Makroskopski kvantni fenomeni

1985 KLAUS VON KLITZING (1943-), MPI Stuttgart"za otkriće kvantnog Holovog efekta"

1998 ROBERT B. LAUGHLIN (1950- ), Stanford University HORST L. STOERMER (1949- ), Columbia University, NY DANIEL C. TSUI (1939- ), Princeton

University"za pronalazak frakcionalnog kvantnog Holovog efekta"

Poluprovodnički laseri - fotonska revolucija

1917.g. Ajnštajn predvideo efekt stimulisane emisije svetlosti.

1960.g. realizovan prvi laser korišćenjem rubina.

1953.g. -maser, mikrotalasna verzija lasera

Nakon otkrića lasera u okviru samo 5 godina došlo je do razvoja novih oblasti: laserska spektroskopija, korišćenje lasera u telekomunikacijama, CO2 laseri za obradu materijala, poluprovodnički laseri, koji su učinili fotonsku revoluciju mogućom.

Današnje primene: u različitim oblastima telekomunikacija, lasersko štampanje, bar-kod zapisi, medicina, video i audio diskovi.

Godišnja proizvodnja: 50 miliona pp lasera i 20 milijardi LED dioda

Dalji razvoj usmeren ka realizaciji lasera sa kontinualnom promenom talasne dužine, uz produženje veka trajanja i efikasnosti.

Superprovodnost i superfluidnost

1913 HEIKE KAMERLINGH-ONNES (1853-1926), Uni-Leiden"za proučavanja osobina materije pri niskim temperaturama, koja su dovela, pored ostalog, i do proizvodnje tečnog helijuma“1962 LEV DAVIDOVICH LANDAU (1908-1968), Akademija Nauka SSSR, Moskva"za njegove pionirske teorije kondenzovanog stanja materije i posebno tečnog helijuma"1972 JOHN BARDEEN (1908-1991), Uni-Illinois, Urbana,LEON N. COOPER (1930-), Brown-Uni, Providence, i J. ROBERT SCHRIEFFER (1931-), Uni-Pennsylvania, Philadelphia"za njihovu zajednički razvijenu teoriju superprovodnosti, nazvanu BCS-teorija"1973 BRIAN D. JOSEPHSON (1940-), Uni-Cambridge"za njegovo teorijsko predviđanje svojstava superstruja kroz tunelsku barijeru i posebno za fenomen koji je opšte poznat kao Džozefsonov efekt"

1987J. GEORG BEDNORZ (1950-), IBM Forschunglabor, Zürich, K. ALEXANDER MÜLLER (1927-), IBM Forschunglabor, Zürich"za njihovo izuzetno otkriće superprovodnosti u keramičkim materijalima"1978 PYOTR LEONIDOVICH KAPITSA (1894-1984), Akademija Nauka SSSR, Moskva"za njegova bazna otkrića na polju fizike niskih temperatura" 1996DAVID M. LEE (1931- ), Cornell University, IthacaDOUGLAS D. OSHEROFF (1945- ), Stanford UniversityROBERT C. RICHARDSON (1937- ), Cornell University"za otkriće superfluidne faze helijuma "He“

2003ALEXEI A. ABRIKOSOV, ANL Argonne, USAVITALY L. GINZBURG, Lebedev Phys. Ins. Moscow, RussiaANTHONY J. LEGGETT University of Illinois, USA “za pionirske doprinose teoriji superpovodnika i superfluida”

SUPERCONDUCTIVITY MILESTONES

1911 : Dutch physicist Heike Kamerlingh Onnes discovers superconductivity in mercury at temperature of 4 K.

1913 : Kamerlingh Onnes is awarded the Nobel Prize in Physics for his research on the properties of matter at low temperature.

1933 : W. Meissner and R. Ochsenfeld discover the Meissner Effect. 1941 : Scientists report superconductivity in niobium nitride at 16 K. 1953 : V3Si found to superconduct at 17.5 K. 1962 : Westinghouse scientists develop the first commercial niobium- titanium

superconducting wire. 1972 : John Bardeen, Leon Cooper, and John Schrieffer win the Nobel Prize in

Physics for the first successful theory of how superconductivity works. 1986 : IBM researchers Alex Müller and Georg Bednorz make a ceramic compound

of lanthanum, barium, copper, and oxygen that superconducts at 35 K. 1987 : Scientific groups at the University of Houston and the University of Alabama

at Huntsville substitute yttrium for lanthanum and make a ceramic that superconducts at 92 K, bringing superconductivity into the liquid nitrogen

range. 1988 : Allen Hermann of the University of Arkansas makes a superconducting

ceramic containing calcium and thallium that superconducts at 120 K. Soon after, IBM and AT&T Bell Labs scientists produce a ceramic that superconducts at 125 K.

1993 : A. Schilling, M. Cantoni, J. D. Guo, and H. R. Ott from Zurich, Switzerland, produces a superconductor from mercury, barium and copper, (HgBaCaCuO) with maximum transition temperature of 133K.

Primena superprovodnika Danas se superprovodni magneti

najvise koriste u tomografiji (MRI sistemi)

APPLICATIONS OF SUPERCONDUCTORS

medical magnetic resonance imaging

biotechnical engineering electronics

SQUIDs transistors Josephson Junction devices circuitry connections particle accelerators sensors

Industrialseparationmagnetssensors and transducers magnetic shielding

Power Generation Motors Generators

Energy Storage TransmissionFusion

Transformers and Inductors Transportation:

Magnetically levitated vehicles

Marine propulsion

Soft matter

Tečni kristali:

Krajem 19-tog veka je pronađena grupa polimera koja ima osobinu uređenja molekula pod dejstvom slabog električnog polja.

Intenzivan razvoj ovih materijala danas je doveo do realizacije ravnih ekrana, ne samo u lap-top kompjuterima, već i kod tv prijemnika, kao i ravnih panoa velikih dimenzija

Osnovne karakteristike su: manja potrošnja, izuzetan kvalitet slike i boje.

Polarizator

In-Sn-O elektrode

Te~ni kristal

Soft matterPolimeriMembraneTečni kristali

Ostali doprinosiTeorijski doprinosi1970 HANNES ALFVEN (1908-1995), Königl. Institut für Technologie, Stockholm

"za fundamentalni rad i otkrića u magneto-hidrodinamici sa plodonosnim primenama u različitim delovima fizike plazme" i

LOUIS NEEL (1904-), Uni-Grenoble"za fundamentalni rad i otkrića vezana za antiferomagnetizam i ferimagnetizam koja su dovela do važnih

primena u fizici čvrstog stanja"1977 PHILIP W. ANDERSON (1923-), Bell Laboratories, Murray Hill,

SIR NEVILL F. MOTT (1905-), Unv-Cambridge, i JOHN H. VAN VLECK (1899-1980), Harvard-Uni, Cambridge"za njihova fundamentalna teorijska istraživanja elektronske strukture magnetskih i neuredjenih sistema"

1991 PIERRE-GILLES DE GENNES (1932- ), College de France"za otkriće da metode razvijene za proučavanje parametara uređenja u jednostavnim sistemima mogu da se generališu na kompleksnije oblike materije, posebno tečne kristale i polimere"

Eksperimentalne metode1944 “Za pionirske doprinose razvoju tehnike neutronskog rasejanja za proučavanje kondenzovane materije i to:

BERTRAM NEVILLE BROCKHOUSE (1918- ), McMaster-Uni (Hamilton, Ontario)"za razvoj neutronske spektroskopije"CLIFFORD GLENWOOD SHULL (1915- ), MIT, Cambridge, "za razvoj tehnike neutronske difrakcije"

1986 ERNST RUSKA (1906-1988), Fritz-Haber-Institut, Berlinza njegov fundamentalni rad u elektronskoj optici i za izradu prvog elektronskog mikroskopa" i GERD BINNIG (1947-1988), IBM Forschunglabor, Zürich, i HEINRICH ROHRER (1933-), IBM Forschunglabor, Zürich"za izradu skanirajućeg tunelskog mikroskopa"

Trijumf FKS Danas je u ovoj oblasti fizike (u svetu i kod nas) angažovana skoro polovina

svih istraživača u fizici.

FKS je dovela do razvoja novih tehnologija i proizvoda koji su potpuno promenili način života i rada. Navedimo samo neke: kompjuteri, optičke i magnetske memorije, monitori na bazi tečnih kristala, poluprovodnički laseri i LED diode, mobilna telefonija, itd..

O razvoju i značaju ove oblasti biće još govora i to:

24 maja 2005.g. - mini-simpozijum o istorijatu razvoja oblasti kod nas i o najsavremenijim istraživanjima u svetu, a povodom 10-to godišnjice Centra za fiziku čvrstog stanja i nove materijale Instituta za fiziku.

14-18 juna 2005.g. Prof Manuel Cardona iz Max-Planck Instituta za čvrsto stanje - Štuttgart održaće 2 predavanja:

Electron phonon interaction in semiconductors and superconductors Einstein’s contributions to solid state physics

2-5 avgusta 2005.g. – konferencija o fizici i tehnologiji materijala: FITEM’05 u Čačku. (www.FITEM05.phy.bg.ac.yu)