estado sólido - Instituto de Física / UFRJ

ESTADO SÓLIDO
2009.2
Thereza C. de L. Paiva
Importante
Página do curso:
www.if.ufrj.br/~tclp/estadosolido/estadosolido.htm
Como me encontrar:
Sala A-451
[email protected]
www.if.ufrj.br/~tclp
Bibliografia
+
Notas de aula do prof. L. E. Oliveira –
IFI/UNICAMP
EMENTA
FIW475 - Física da Matéria Condensada
Objetivo: Apresentar os conceitos fundamentais na Física da Matéria
Condensada. Exemplificar a relevância da identificação de simetrias na
solução de problemas eletrônicos, estruturais e magnéticos em sólidos
periódicos. Fornecer aos alunos uma base adequada para o estudo de
tópicos mais avançados como sistemas desordenados, teoria BCS da
supercondutividade e efeito Hall quântico.
Ementa: Modelos de Drude e Sommerfeld para metais; Redes cristalinas;
Rede recíproca; Elétrons em potencial periódico; Aproximação de elétron
quase livre e de elétron fortemente ligado; Descrição semiclássica da
dinâmica de elétrons em sólidos; Coesão cristalina; Isolantes,
semicondutores e metais; Vibrações cristalinas, fônons; Propriedades
magnéticas da matéria;
Aplicações específicas que devem variar de semestre para semestre
conforme motivação do professor e da turma:
temas para seminários
Critério de aprovação
Provas e seminários
M=(P1+P2+S)/3
Se M ≥ 7 : aprovado
Se M ≤ 3 : reprovado
Se 3 < M < 7 : faz prova final
PF substitui P1 ou P2
MF = (PF+Pi+S)/3
Se MF ≥ 5 : aprovado
Se MF < 5 : reprovado
Temas para seminários
Supercondutividade de alta temperatura
(cupratos e/ou Fe As)
Dispositivos semicondutores (LED, OLED e outros)
Nanoestruturas de carbono (nanotubos e/ou grafeno)
Efeito Hall (Clássico, Quântico, Fracionário)
Magnetorresistência Gigante
Manganitas
Efeito Kondo
Vórtices em supercondutores – Abrikosov
Superfluidez
Localização de Anderson
DATAS
P1 - 21/09
P2 - 23/11
PF - 21/12
Seminários: (50 minutos)
25/11, 30/11, 2/12, 7/12, 9/12, 14/12,
16/12, ...
Estarei viajando de 21/09 a 02/10
precisaremos de aulas extras
O que é a Física do estado sólido?
Estuda os sólidos
Desafios:
⇒ conhecer os mecanismos físicos responsáveis pelo
comportamento mecânico, térmico, elétrico,
magnético e óptico dos materiais
⇒ entender e controlar as propriedades dos materiais
É a área mais abrangente da Física contemporânea
e a que reúne o maior número de pesquisadores,
tanto no Brasil quanto no mundo.
É a área de maior impacto sobre a sociedade,
contribuindo para o avanço do conhecimento
científico
(inclusive em outras áreas do
conhecimento) e impulsionando o desenvolvimento
tecnológico.
jcastro
Avanços tecnológicos
jcastro
The most interesting problems
today – and certainly the most
practical problems – are obviously
in Solid State Physics.
“QED, the Strange Theory of
Light and Matter”
Richard P. Feynmann (1918-1988)
Prêmio Nobel 1965
jcastro
Impacto sobre outras área da Física
• Física Nuclear: Teoria BCS ⇒ emparelhamento de prótons
e neutrons e o espectro de excitações nucleares
• Astrofísica: superfluidez ⇒ matéria neutrônica em estrelas de
neutrons apresenta superfluidez
• Cosmologia: superfluidez do 3He ⇒ formação de cordas
cosmológicas.
• Teoria Quântica de Campos: transições de fase (em magnetos,
supercondutores, ferroelétricos, cristais
líquidos, etc) ⇒ quebra de simetria.
jcastro
Impacto sobre outras áreas
Nanociência e
Nanotecnologia
Química
Ciência da Computação
Física da Matéria
Condensada
Biologia
Eletrônica
Medicina
Ciência dos Materiais
jcastro
O que é a Física do estado sólido?
Aplicação da teoria quântica a
sistemas com muitos corpos
More is different
Science 177, 393 (1972)
“The behavior of large and complex
aggregates of elementary particles,
it turns out, is not to be
understood in terms of a simple
extrapolation of the properties of
a few particles.”
Philip W. Anderson
Prêmio Nobel 1977
“Teoria quântica de sólidos”
(ou da matéria condensada)
Muito pouco de nosso conhecimento das propriedades da matéria não
depende de alguma forma da teoria quântica.
Questões Básicas:
(1)
Por que os sólidos se comportam da forma observada?
(2)
Previsão teórica de fenômenos
Em muitos casos não saberemos responder...
De qualquer modo é de grande utilidade ter um conhecimento razoável
das propriedades dos sólidos!
Efeito Hall Quântico
Supercondutividade de alto Tc
“Classificação” de Sólidos
“SÓLIDO” : agregado cristalino regular de átomos
→ simetria translacional
Classificação
Simetria de suas estruturas cristalinas (geometria)
Propriedades físicas (configuração elétrons de valência)
Coesão cristalina
Propriedades magnéticas
supercondutividade
Geometria: estrutura cristalina
Cúbica simples
Cúbica de corpo centrado Cúbica de close packed
hexagonal close packed
carbono
YBaCuO
perovskitas
manganitas
Propriedades de transporte
classificação:
Metal, isolante, semicondutor, ...
gap
E
ISOLANTE
Ex: halogenetos alcalinos
NaCl, KCl, NaBr,etc
gaps: 5-10 eV
“BANDAS”
DE
ENERGIA
METAL
Ex: metais alcalinos (Li, Na,K, ...)
Al, Cu, etc
Coesão cristalina
Outro tipo de classificação:
ISOLANTES (T=0)
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
1. CRISTAIS COVALENTES
2. CRISTAIS MOLECULARES
C, Si, Ge,..
covalent bond
Ne, Xe,...
atração de Van der Waals
(solid noble gases)
3. CRISTAIS IONICOS
NaCl, KBr,...
ionic bond
(potencial Madelung)
4. HYDROGEN-BONDED CRYSTALS
__________________________________________________________________
Coesão cristalina
1)
2)
3)
4)
5)
Cristais moleculares
Hydrogen-bonded crystals
Metais
Cristais covalentes
Cristais iônicos
__________________________________
ligação
eV/atom
__________________________________
fraca
-0.02 a -0.20
moderadamente fraca
moderada a forte
forte
muito forte
-3
a -6
_________________________________
Compostos III-V : Ga As, Al P, InSb, etc...
→ parcialmente ionicos, parcialmente covalentes
(NH4)+ ClNH4+ → ligação molecular
cristal como um todo é ionico (+ ligação ponte de hidrogênio)
5. METAIS
→ “gás de elétrons”
semimetais :
ex: grafeno
As, Bi, Sb
→
“Classificação” de Sólidos
Cristal molecular
Ne, Ar, Kr, Xe, Rn → FCC
(solid noble gases)
Ar 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
Cristal iônico
Cristais iônicos I-VII
6447448
KCl, NaCl, KBr, etc...
(halogenetos alcalinos, etc...)
K [Ar] 4s1
Cl [Ne] 3s2 3p5
Cristal covalente
Metal
→
→
IV-IV
III-V
6478 64748
C, Si, Ge, InSb, GaAs, etc...
Na, K, Al, Cu, etc...
K : [ Ar ] 4s1 → 19 e
19 e
17e
C
1s2 2s2 2p2
Supercondutividade
Se não for supercondutor…
dopagem
irradiação
pressão
Supercondutividade
dos elementos
Efeito de proximidade
fase estrutural
amorfo
Propriedades magnéticas
Outro tipo de classificação:
DIAMAGNETISMO
PARAMAGNETISMO
FERROMAGNETISMO
ANTIFERROMAGNETISMO
FERRIMAGNETISMO
Interdependência ...
Magnetismo + transporte
Multicamadas metálicas
magnetoresistência gigante
M. N. Baibich et al, PRL 61, 2472 (1988)
A. Fert e P. Grünberg (2007)
Geometria + Magnetismo +
transporte
Supercondutores de alta temperatura
AF
SUC
YBa2Cu3O7-δ
“Condensed-matter physics is
like fine wine : you have to
develop a taste for it”
Marvin L. Cohen
University of California at Berkeley
June 15, 2002