فيزياء الحالة الصلبة

فيزياء الحالة الصلبة هي دراسة المادة الصلبة ، أو المواد الصلبة، باستخدام مناهج مثل كيمياء الحالة الصلبة ، وميكانيكا الكم ، وعلم البلورات ، والكهرومغناطيسية ، وعلم المعادن . وهي أكبر فروع فيزياء المادة المكثفة . تدرس فيزياء الحالة الصلبة كيف تنشأ الخصائص واسعة النطاق للمواد الصلبة من خصائصها على المستوى الذري . وبالتالي، تُشكل فيزياء الحالة الصلبة أساسًا نظريًا لعلم المواد . وإلى جانب كيمياء الحالة الصلبة ، لها أيضًا تطبيقات مباشرة في تكنولوجيا الترانزستورات وأشباه الموصلات .

تتكون المواد الصلبة من ذرات متراصة بكثافة، تتفاعل فيما بينها بقوة. وتُنتج هذه التفاعلات الخصائص الميكانيكية (مثل الصلابة والمرونة ) ، والحرارية ، والكهربائية ، والمغناطيسية ، والبصرية للمواد الصلبة. وبحسب المادة المكونة لها والظروف التي تشكلت فيها، قد تكون الذرات مرتبة بنمط هندسي منتظم (كما في المواد الصلبة البلورية ، والتي تشمل المعادن وجليد الماء العادي) أو بشكل غير منتظم (كما في المواد الصلبة غير المتبلورة مثل زجاج النوافذ الشائع).

يركز الجزء الأكبر من فيزياء الحالة الصلبة، كنظرية عامة، على البلورات . ويعود ذلك أساسًا إلى أن دورية الذرات في البلورة - وهي السمة المميزة لها - تُسهّل النمذجة الرياضية. وبالمثل، غالبًا ما تمتلك المواد البلورية خصائص كهربائية أو مغناطيسية أو بصرية أو ميكانيكية يمكن استغلالها لأغراض هندسية.

تتخذ القوى بين الذرات في البلورة أشكالًا متنوعة. ففي بلورة كلوريد الصوديوم (ملح الطعام)، على سبيل المثال، تتكون البلورة من أيونات الصوديوم والكلور ، وترتبط معًا بروابط أيونية . وفي بلورات أخرى، تتشارك الذرات الإلكترونات لتكوين روابط تساهمية . أما في المعادن، فتتشارك الإلكترونات بين جميع ذرات البلورة بروابط فلزية . وأخيرًا، لا تخضع الغازات النبيلة لأي من هذه الأنواع من الروابط. ففي الحالة الصلبة، ترتبط الغازات النبيلة معًا بقوى فان دير فالس الناتجة عن استقطاب سحابة الشحنة الإلكترونية على كل ذرة. وتنشأ الاختلافات بين أنواع المواد الصلبة من الاختلافات في روابطها.

لطالما كانت الخصائص الفيزيائية للمواد الصلبة موضوعًا شائعًا للبحث العلمي على مر القرون، إلا أن مجالًا مستقلًا يُعرف باسم فيزياء الحالة الصلبة لم يظهر إلا في أربعينيات القرن العشرين، وتحديدًا مع تأسيس قسم فيزياء الحالة الصلبة (DSSP) ضمن الجمعية الفيزيائية الأمريكية . وقد اهتم هذا القسم بالفيزيائيين الصناعيين، وارتبطت فيزياء الحالة الصلبة بالتطبيقات التكنولوجية التي أتاحها البحث في المواد الصلبة. وبحلول أوائل ستينيات القرن العشرين، أصبح قسم فيزياء الحالة الصلبة أكبر أقسام الجمعية الفيزيائية الأمريكية. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

ظهرت أيضًا مجتمعات كبيرة من علماء فيزياء الحالة الصلبة في أوروبا بعد الحرب العالمية الثانية ، ولا سيما في إنجلترا وألمانيا والاتحاد السوفيتي . ^{[ 3 ]} في الولايات المتحدة وأوروبا، أصبحت فيزياء الحالة الصلبة مجالًا بارزًا من خلال أبحاثها في أشباه الموصلات ، والموصلية الفائقة ، والرنين المغناطيسي النووي ، وظواهر أخرى متنوعة. خلال بدايات الحرب الباردة، لم يقتصر البحث في فيزياء الحالة الصلبة على المواد الصلبة فحسب، مما دفع بعض الفيزيائيين في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي إلى تأسيس مجال فيزياء المادة المكثفة ، الذي تمحور حول تقنيات مشتركة تُستخدم لدراسة المواد الصلبة والسائلة والبلازما وغيرها من المواد المعقدة. ^{[ 1 ]} اليوم، تُعتبر فيزياء الحالة الصلبة على نطاق واسع فرعًا من فيزياء المادة المكثفة، ويُشار إليها غالبًا باسم المادة المكثفة الصلبة، والتي تركز على خصائص المواد الصلبة ذات الشبكات البلورية المنتظمة.

تتأثر العديد من خصائص المواد ببنيتها البلورية . ويمكن دراسة هذه البنية باستخدام مجموعة من التقنيات البلورية ، بما في ذلك علم البلورات بالأشعة السينية ، وحيود النيوترونات ، وحيود الإلكترونات .

تختلف أحجام البلورات الفردية في المواد الصلبة البلورية تبعًا للمادة المكونة لها والظروف التي تشكلت فيها. معظم المواد البلورية التي نصادفها في حياتنا اليومية متعددة البلورات ، حيث تكون البلورات الفردية مجهرية الحجم، ولكن يمكن إنتاج بلورات أحادية كبيرة الحجم إما طبيعيًا (مثل الماس) أو صناعيًا.

تتميز البلورات الحقيقية بوجود عيوب أو عدم انتظام في الترتيبات المثالية، وهذه العيوب هي التي تحدد بشكل حاسم العديد من الخصائص الكهربائية والميكانيكية للمواد الحقيقية.

تُدرس خصائص المواد، مثل التوصيل الكهربائي والسعة الحرارية، من خلال فيزياء الحالة الصلبة. كان نموذج درود أحد النماذج المبكرة للتوصيل الكهربائي ، والذي طبق النظرية الحركية على الإلكترونات في المواد الصلبة. وبافتراض أن المادة تحتوي على أيونات موجبة ثابتة و"غاز إلكتروني" من الإلكترونات الكلاسيكية غير المتفاعلة، استطاع نموذج درود تفسير التوصيل الكهربائي والحراري وتأثير هول في المعادن، على الرغم من أنه بالغ بشكل كبير في تقدير السعة الحرارية الإلكترونية.

جمع أرنولد سومرفيلد بين نموذج درود الكلاسيكي وميكانيكا الكم في نموذج الإلكترون الحر (أو نموذج درود-سومرفيلد). في هذا النموذج، تُنمذج الإلكترونات على أنها غاز فيرمي ، وهو غاز من الجسيمات التي تخضع لإحصاءات فيرمي-ديراك الكمومية . وقد قدم نموذج الإلكترون الحر تنبؤات محسّنة للسعة الحرارية للمعادن، إلا أنه عجز عن تفسير وجود العوازل .

يُعدّ نموذج الإلكترون شبه الحر تعديلاً لنموذج الإلكترون الحر، ويتضمن اضطراباً دورياً ضعيفاً يهدف إلى محاكاة التفاعل بين إلكترونات التوصيل والأيونات في المواد الصلبة البلورية. ومن خلال إدخال مفهوم نطاقات الطاقة الإلكترونية ، تشرح هذه النظرية وجود الموصلات وأشباه الموصلات والعوازل .

يُعيد نموذج الإلكترون شبه الحر صياغة معادلة شرودنغر لحالة الجهد الدوري . تُعرف الحلول في هذه الحالة بحالات بلوخ . ولأن نظرية بلوخ تنطبق فقط على الجهود الدورية، ولأن الحركات العشوائية المستمرة للذرات في البلورة تُخلّ بالدورية، فإن استخدام نظرية بلوخ في هذه الحالة يُعدّ تقريبًا فقط، ولكنه أثبت أنه تقريب قيّم للغاية، وبدونه يصبح تحليل معظم فيزياء الحالة الصلبة مستحيلاً. أما الانحرافات عن الدورية فتُعالج بنظرية الاضطراب الكمومي .

تشمل مواضيع البحث الحديثة في فيزياء الحالة الصلبة ما يلي:

• الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية
• أشباه البلورات
• الزجاج الدوار
• مواد مترابطة بقوة
• المواد ثنائية الأبعاد
• المواد النانوية

• فيزياء المادة المكثفة
• علم البلورات
• التحليل الطيفي النووي
• ميكانيكا المواد الصلبة

• نيل دبليو آش كروفت ون . ديفيد ميرمين ، فيزياء الحالة الصلبة (هاركورت: أورلاندو، 1976).
• تشارلز كيتل ، مقدمة في فيزياء الحالة الصلبة (وايلي: نيويورك، 2004).
• إتش إم روزنبرغ، الحالة الصلبة (مطبعة جامعة أكسفورد: أكسفورد، 1995).
• ستيفن هـ. سيمون ، أساسيات الحالة الصلبة في أكسفورد (مطبعة جامعة أكسفورد: أكسفورد، 2013).
• خارج متاهة الكريستال. فصول من تاريخ فيزياء الحالة الصلبة ، تحرير ليليان هوديسون، إرنست براون، يورغن تيشمان، سبنسر ويرت (أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد، 1992).
• إم إيه عمر، الفيزياء الأساسية للحالة الصلبة (طبعة منقحة، أديسون-ويسلي، 1993).
• هوفمان، فيليب (26 مايو 2015). فيزياء الحالة الصلبة (  الطبعة الثانية). وايلي-في سي إتش. رقم ISBN 978-3527412822.