ESTADO SESTADO SÓÓLIDOLIDO

2010.22010.2Thereza C. de L. PaivaThereza C. de L. Paiva

ImportanteImportante

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BibliografiaBibliografia

Notas de aula do prof. L. E. Oliveira Notas de aula do prof. L. E. Oliveira ––IFGW/UNICAMPIFGW/UNICAMP

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EMENTAEMENTAFIW475 FIW475 -- FFíísicasica dada MatMatéériaria CondensadaCondensadaObjetivoObjetivo:: ApresentarApresentar osos conceitosconceitos fundamentaisfundamentais nana FFíísicasica dada MatMatéériaria

CondensadaCondensada. . ExemplificarExemplificar a a relevânciarelevância dada identificaidentificaççãoão de de simetriassimetrias nanasolusoluççãoão de de problemasproblemas eletrônicoseletrônicos, , estruturaisestruturais e e magnmagnééticosticos emem ssóólidoslidosperiperióódicosdicos. . FornecerFornecer aosaos alunosalunos umauma base base adequadaadequada parapara o o estudoestudo de de ttóópicospicos maismais avanavanççadosados comocomo sistemassistemas desordenadosdesordenados, , teoriateoria BCS BCS dadasupercondutividadesupercondutividade e e efeitoefeito Hall Hall quânticoquântico. .

EmentaEmenta:: ModelosModelos de de DrudeDrude e e SommerfeldSommerfeld parapara metaismetais; ; RedesRedes cristalinascristalinas; ; RedeRede recrecííprocaproca; ; ElEléétronstrons emem potencialpotencial periperióódicodico; ; AproximaAproximaççãoão de de eleléétrontronquasequase livrelivre e de e de eleléétrontron fortementefortemente ligadoligado; ; DescriDescriççãoão semiclsemicláássicassica dadadinâmicadinâmica de de eleléétronstrons emem ssóólidoslidos; ; CoesãoCoesão cristalinacristalina; ; IsolantesIsolantes, , semicondutoressemicondutores e e metaismetais; ; VibraVibraççõesões cristalinascristalinas, , fônonsfônons; ; PropriedadesPropriedadesmagnmagnééticasticas dada matmatéériaria; ;

AplicaAplicaççõesões especespecííficasficas queque devemdevem variarvariar de de semestresemestre parapara semestresemestreconformeconforme motivamotivaççãoão do professor e do professor e dada turmaturma

CritCritéério de aprovario de aprovaççãoão

Provas Provas

M=(P1+P2+P3)/3M=(P1+P2+P3)/3Se M Se M ≥≥ 6 6 : aprovado: aprovado

Se M Se M ≤≤ 3 3 : reprovado: reprovado

Se Se 3 < M 3 < M < 7 < 7 : faz prova final: faz prova final

PF substitui a menor nota(inclusive se 0 por falta)MF = (PF+Pi+Pj)/3Se MF ≥ 5 : aprovadoSe MF < 5 : reprovado

O aluno que faltar a duas provas estaráreprovado por falta

13029Coesão cristalina

2827P1

9

242322Tight binding

2120 Eletrons em um

potencial periodico

8

171615Eletrons em um

potencial periodico

1413 Eletrons em um

potencial periodico

7

1098Exercicios

7INDEPENDENCIA

6Recesso

6

321Rede reciproca

3130Rede de Bravais

SETEMBRO5

272625Modelo de Sommerfeld

2423Modelo de Drude

4

201918Modelo de Drude

1716 INICIO DO PERIODOINTRODUCAO

3

14131211102

76543AGOSTO1

SEXTAQUINTAQUARTATERCASEGUNDA

CRONOGRAMA

252422FIM DO PERIODO

212021

171615141320

10987619

321PF

3029DEZEMBRO18

262524P3

2322Exercicios

17

191817semicondutores

1615dia do mestre

16

1211 10semicondutores

98magnetismo

15

543magnetismo

2 FINADOS

1 Funcionario Publico

NOVEMBRO14

292827P2

2625Exercicios

13

222120supercondutividade

1918Vibracoes quantizadas

12

151413Vibracoes classicas

12 Nsa SraAPARECIDA

11 Recesso11

8 JORNADA IC

7JORNADA IC

6 JORNADA IC

5JORNADA IC

4JORNADA IC

OUTUBRO10

SEXTAQUINTAQUARTATERCASEGUNDA

DATASDATAS�� P1 P1 -- 27/0927/09�� P2 P2 -- 27/1027/10�� P3 P3 -- 24/1124/11�� PF PF -- 01/1201/12

HorHoráário para aulas extras?rio para aulas extras?(se forem necess(se forem necessáárias)rias)

O que O que éé a Fa Fíísica do estado ssica do estado sóólido?lido?Estuda os Estuda os ssóólidoslidos

Desafios:

⇒ conhecer os mecanismos físicos responsáveis pelocomportamento 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

AvanAvançços tecnolos tecnolóógicosgicos

jcastro

Richard P. Feynmann (1918-1988)Prêmio Nobel 1965

“QED, the Strange Theory of Light and Matter”

The most interesting problemstoday – and certainly the mostpractical problems – are obviouslyin Solid State Physics.

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

Física da Matéria

Condensada

Química

Biologia

Medicina Ciência dos Materiais

Ciência da Computação

Eletrônica

Nanociência e

Nanotecnologia

jcastro

O que O que éé a Fa Fíísica do estado ssica do estado sóólido?lido?

AplicaAplicaçção da teoria quântica a ão da teoria quântica a sistemas com muitos corpossistemas com muitos corpos

“The behavior of large and complexaggregates of elementary particles, it turns out, is not to beunderstood in terms of a simpleextrapolation of the properties of a few particles.”

Science 177, 393 (1972)

Philip W. Anderson

More is More is differentdifferent

Prêmio Nobel 1977

““Teoria quântica de sTeoria quântica de sóólidoslidos””(ou da (ou da matmatééria condensada)ria condensada)

Muito pouco de nosso conhecimento das propriedades da matMuito pouco de nosso conhecimento das propriedades da matééria não ria não depende de alguma forma da depende de alguma forma da teoria quânticateoria quântica..

Questões BQuestões Báásicas:sicas:(1)(1) Por que os sPor que os sóólidos se comportam da forma observada?lidos se comportam da forma observada?(2)(2) Previsão tePrevisão teóórica de rica de fenfenôômenosmenos

Em muitos casos não saberemos responder...Em muitos casos não saberemos responder...

De qualquer modo De qualquer modo éé de grande utilidade ter um conhecimento razode grande utilidade ter um conhecimento razoáável vel das propriedades dos sdas propriedades dos sóólidos!lidos!

Efeito Hall QuânticoEfeito Hall Quântico

Supercondutividade de alto Supercondutividade de alto TTcc

““ClassificaClassificaççãoão”” de Sde Sóólidoslidos“SÓLIDO” : agregado cristalino regular de átomos

→ simetria translacional

Classificação

Simetria de suas estruturas cristalinas (geometria)Propriedades físicas (configuração elétrons de valência)Coesão cristalinaPropriedades magnéticassupercondutividade

Geometria: estrutura cristalina

Cúbica simples Cúbica de corpo centrado Cúbica de close packed

hexagonal close packed carbono manganitas

YBaCuO

perovskitas

“BANDAS”DE

ENERGIA

ISOLANTEEx: halogenetos alcalinos NaCl, KCl, NaBr,etcgaps: 5-10 eV

METALEx: metais alcalinos (Li, Na,K, ...)Al, Cu, etc

Egap

Propriedades de transporte

classificação: Metal, isolante, semicondutor, ...

ISOLANTES (T=0)____________________________________________________________________________________________________________________________________

1. CRISTAIS COVALENTES C, Si, Ge,.. covalent bond

2. CRISTAIS MOLECULARES 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

Outro tipo de classificação:

__________________________________ligação eV/atom

__________________________________1) Cristais moleculares fraca -0.02 a -0.202) Hydrogen-bonded crystals moderadamente fraca 3) Metais moderada a forte 4) Cristais covalentes forte5) Cristais iônicos muito forte -3 a -6

_________________________________

Coesão cristalina

Compostos III-V : Ga As, Al P, InSb, etc...→ parcialmente ionicos, parcialmente covalentes

(NH4)+ Cl- NH4+ → ligação molecular

cristal como um todo é ionico (+ ligação ponte de hidrogênio)

5. METAIS

→ “gás de elétrons”

semimetais : ex: grafeno →As, Bi, Sb

““ClassificaClassificaççãoão”” de Sde Sóólidoslidos

Cristal molecular Ne, Ar, Kr, Xe, Rn → FCC(solid noble gases)

Ar 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

Cristais iônicos I-VII6447448644744864474486447448

KCl, NaCl, KBr, etc...(halogenetos alcalinos, etc...)

K [Ar] 4s1 → 19 eCl [Ne] 3s2 3p5 → 17e

Cristal iônico

IV-IV III-V6478647864786478 64748647486474864748

C, Si, Ge, InSb, GaAs, etc...

Cristal covalenteC 1s2 2s2 2p2

Metal Na, K, Al, Cu, etc...K : [ Ar ] 4s1 → 19 e

Supercondutividade

SupercondutividadeSupercondutividadedos dos elementoselementos

Efeito de proximidade

pressãodopagem irradiação

fase estruturalamorfo

Se Se nãonão for for supercondutorsupercondutor……

Propriedades magnéticas

Outro tipo de classificação:

FERRIMAGNETISMO

FERROMAGNETISMO

PARAMAGNETISMO

DIAMAGNETISMO

ANTIFERROMAGNETISMO

Multicamadas metálicasmagnetoresistência gigante

M. N. Baibich et al, PRL 61, 2472 (1988)

A. Fert e P. Grünberg (2007)

Interdependência ...

Magnetismo + transporte

Supercondutores de alta temperatura

Geometria + Magnetismo + transporte

YBa2Cu3O7-δ

AFSUC

““CondensedCondensed--mattermatter physicsphysics is is likelike fine fine winewine : : youyou havehave to to

developdevelop a a tastetaste for itfor it””

MarvinMarvin L. CohenL. CohenUniversityUniversity ofof CaliforniaCalifornia atat BerkeleyBerkeley

JuneJune 15, 200215, 2002