Физика твердого тела

Понимание большинства явлений в твердых телах возможно только на основе представлений квантовой механики и статистической физики. Наиболее полно разработана квантовая теория кристаллов, использующая понятие о квазичастицах. Знание атомной структуры твердых тел и характера движения частиц в них (энергетический спектр) позволяет установить, какие квазичастицы ответственны за явление или свойство. Например, высокая электропроводность металлов обусловлена электронами проводимости, а теплопроводность — электронами проводимости и фононами; некоторые особенности поглощения света в диэлектриках — экситонами; ферромагнитный резонанс — магнонами и т. д. Макроскопические характеристики материала при этом выражаются через характеристики квазичастиц. Понимание механизма микропроцессов позволяет их широко использовать. Например, туннельный эффект наблюдается для микрообъектов, используется же в макроскопических устройствах (электронных приборах, туннельных диодах, пленочных излучателях). Использование представлений о квантовании энергии электронов в потенциальной яме и распределении их по состояниям позволяет решить ряд важных практических задач, касающихся подсчета числа носителей заряда, которые могут участвовать в электрическом токе. Квантовая статистика позволяет понять и основные явления, протекающие при сверхпроводимости твердых тел.

Особое значение в физике твердого тела имеет зонная теория энергетических состояний электронов в кристаллах. Она дает возможность понять природу целого ряда электрических и оптических явлений. На ее основе объясняются электрические свойства металлов, полупроводников и диэлектриков, а также оптические и магнитные свойства твердых тел. Развивается физика высокотемпературной сверхпроводимости и физика аморфных твердых тел. Физика твердого тела изучает процессы, происходящие в твердом теле при сильных воздействиях — взрыве, быстрой закалке, пластической деформации, механическом сплавлении, лазерном и радиационном воздействии. Сочетание разных методов и разных способов воздействия на вещество приводит к возможности получения совершенно новых свойств вещества, область применения которых в высоких технологиях обширна — например, в электронике, строительстве турбин и т.д.

Физика твердого тела разделилась на ряд областей. Выделяются объекты исследования (физика металлов, физика полупроводников и диэлектриков, физика магнетиков и др.), методы исследования (рентгеновский структурный анализ, радиоспектроскопия твердого тела и т. п.), определенные свойства твердых тел (явление сверхпроводимости, механические, тепловые и т. д.). Физика твердого тела обладает специфическими методами исследования и использует определенный, достаточно сложный математический аппарат.

Развитие физики твердого тела и таких ее разделов, как физика металлов, кристаллофизика, физика полупроводников и диэлектриков привело к появлению новых научно-технических направлений (полупроводниковая электроника, микроэлектроника, оптоэлектроника), достижения которых сейчас широко известны (разнообразные миниатюрные полупроводниковые приборы, тонкопленочные структуры, устройства, использующие одновременно свойства металлов, полупроводников и диэлектриков, оптические, электрические и магнитные устройства памяти, волоконнооптическая телефонная связь, люминесцентные экраны). Разрабатываются принципиально новые физические методы получения более надежных полупроводниковых устройств, методы получения более высоких давлений, сверхнизких температур и т. д. Большое значение имеет изучение физики полимеров, в частности сложных полимерных структур, содержащих особые зоны, которые могут менять свойства полимеров и биополимеров.