Fizika XX vijeka: Trijumf fizike čvrstog stanja

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

Uvod Početkom XX vijeka mnoge oblasti fizike, kao na primjer:

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

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

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

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 postdiplomskistudij na smjeru Fizika materijala na Univerzitetu u Beogradu

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 SA-

Beograd,1970.

Posljednje godine ere klasične fizike

W.C. Röntgen (1825-1923)

1896.-otkriće x-zraka

M. Von Laue (1879-1960)

1912- otkriće talasne prirode x-zraka

W. L. Bragg(1890-1971)

1914-otkriće ifrakcije 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 u razumijevanju svojstava metala.

Rana kvantna mehanika MAX KARL ERNST LUDWIG PLANCK

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

ALBERT EINSTEIN (1879-1955) Nobelova nagrada"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 nuli1912.g. P. Debye poboljšao Ajnštajnov rezultat i pokazao da specifična toplota pri vrlo niskim temperaturama ima T3 zakonitost.

Kvantno-mehanička revolucijaBorova teorija – primjenljiva samo za jednoelektronske sistemeČvrsti 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 uključeni 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 Holove konstante kod nekih materijala.

Kvantno-mehanička revolucija 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:

)()()(2 ,,,

22

rrrm knknknper

)()( rr perper

rikknkn erur )()( ,,

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 vijeka 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 primjesama) bio je poznat sredinom 30.-tih godina XX vijeka.

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

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

Tokom II svjetskog rata Si i Ge (monokristali) postaju nezamjenljivi 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 čvrstotijelne naprave koje bi zamenile elektronske cijevi i elektromehaničke releje.•Decembra 1947 demonstriran je rad prvog tranzistora. Pojačanje 18 puta. Ovo otkriće se danas smatra za najveće otkriće (bar u FČS) u XX vijeku. •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 čvrstotijelnoj 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 predvidio efekt stimulisane emisije svjetlosti.

1960.g. realizovan prvi laser korištenjem rubina.

1953.g. -maser, mikrotalasna verzija lasera

Nakon otkrića lasera u okviru samo 5 godina došlo je do razvoja novih oblasti: laserska spektroskopija, korištenje lasera u

telekomunikacijama, CO2 laseri za obradu

materijala, poluprovodnički laseri, koji su učinili fotonsku revoluciju mogućom.

Današnje primjene: 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 usmjeren ka realizaciji lasera sa kontinualnom promjenom talasne dužine, uz produženje vijeka trajanja i efikasnosti.

Superprovodnost i superfluidnost1913 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”

SUPERPROVODNOSTGLAVNA OTKRIĆA

1911 : Holandski fizičar Heike Kamerlingh Onnes otkrio supraprovodnost kod žive na temperaturi 4 K. 1913 : Kamerlingh Onnes dobio Nobelovu nagradu za Istraživanja osobina materije na niskim temperaturama. 1933 : W. Meissner and R. Ochsenfeld otkrivaju Meissner-ov efekat. 1941 : Naučnici saopštavaju superprovodnost u niobiumovom nitridu na 16 K. 1953 : Otkrivena superprovodnost u V3Si na 17.5 K. 1962 : Westinghousovi naučnici su razvili prvu komercijalnu niobium- titanium

superprovodnu žicu. 1972 : John Bardeen, Leon Cooper, i John Schrieffer osvojili Nobelovu nagradu za fiziku za prvu uspješnu teoriju superprovodnosti. 1986 : IBM istraživači Alex Müller i Georg Bednorz su napravili keramiku od lantana barijuma, bakra i kiseonika koja je superprovodnik na 35 K. 1987 : Grupe naučnika na Univerzitetu u Houston-u i Alabama Univerzitetu u Huntsville-u zamijenili su lantan itrijumom i napravili keramiku koja je superprovodna na 92 K, što je dovelo superprovodnost u opsegu

temperature tečnog azota. 1988 : Allen Hermann sa Universiteta iz Arkansas-a je napravio superprovodnu keramiku koja sadrži kalcijum i talijum i superprovodnik je na 120 K. Ubrzo nakon toga, naučnici IBM i AT&T Bell Labs napravili su keramiku koja je superprovodnik na 125 K. 1993 : A. Schilling, M. Cantoni, J. D. Guo, and H. R. Ott iz Zurich-a, Switzerland,

napravili su superprovodnik od žive, bariuma i bakra, (HgBaCaCuO) sa maksimalnom temperaturom prelaza od 133K.

Primjena superprovodnika

Danas se superprovodni magneti najvise koriste u tomografiji (MRI sistemi)

U medicinimagnetna rezonansa

biotehnički inženjering U elektronici

SQUID-ovi tranzistoriuređaju sa Josepsonovom

vezom circuitry connections particle accelerators sensors

U industrijiseparacijamagnetisenzori i prenosnici magnetna zaštita

Proizvodnja struje MotoriGeneratori

Deponovanje energije TransmisijaFuzija

Transfatori i Induktori Transport:

Magnetski podignuta vozila Pomorski pogon

Tečna materija

Tečni kristali:

Krajem 19-tog vijeka 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

Tečni kristal

Tečna materijaPolimeriMembraneTečni kristali

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

"za fundamentalni rad i otkrića u magneto-hidrodinamici sa plodonosnim primjenama u različitim dijelovima fizike plazme" i

LOUIS NEEL (1904-), Uni-Grenoble"za fundamentalni rad i otkrića vezana za antiferomagnetizam i

ferimagnetizam koja su dovela do važnih primjena 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“

Ostali doprinosi

Eksperimentalne metode 1944 “Za pionirske doprinose razvoju tehnike neutronskog rasijanja 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, Berlin za 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 svijetu i kod nas) angažovana skoro

polovina svih istraživača u fizici.

FKS je dovela do razvoja novih tehnologija i proizvoda koji su potpuno promijenili 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..