Física de la materia condensada para niños
La física de la materia condensada es una parte de la física que estudia las propiedades de los materiales que vemos a nuestro alrededor, como los sólidos y los líquidos. Se enfoca en cómo se comportan estos materiales cuando tienen muchísimas partículas juntas y estas partículas interactúan fuertemente entre sí.
Imagina que quieres saber por qué un metal es duro o por qué el agua se congela. La física de la materia condensada busca entender estas características grandes (macroscópicas), como la densidad, la temperatura, la dureza o el color, a partir de cómo se comportan los átomos y electrónes muy pequeños dentro del material.
Algunos ejemplos comunes de estos materiales "condensados" son los sólidos y los líquidos, que se forman gracias a las fuerzas electromagnéticas entre los átomos. Pero también hay estados más extraños, como los superfluidos o el condensado de Bose-Einstein, que aparecen a temperaturas muy, muy bajas. También estudia la superconductividad, donde la electricidad fluye sin resistencia, o el ferromagnetismo, que es lo que hace que un imán funcione.
Esta rama de la física es la más grande hoy en día. Se calcula que una gran parte de los físicos se dedican a ella. Antes se llamaba "física del estado sólido", pero el nombre cambió a "física de la materia condensada" en 1967, para incluir también a los líquidos y otros estados. Esta área se relaciona mucho con la química, la ciencia de materiales, la nanotecnología y la ingeniería.
Una de las razones de este nombre es que muchas ideas y técnicas usadas para estudiar los sólidos también sirven para los líquidos. Por ejemplo, los electrones que conducen electricidad en un metal se comportan de forma parecida a un líquido especial. De hecho, la superconductividad, donde los electrones fluyen sin perder energía, es muy similar a cómo se comporta el helio-3 a temperaturas muy bajas.
Contenido
¿Qué estudia la física de la materia condensada?
Esta área de la física explora muchos temas interesantes sobre cómo se organiza la materia.
Fases de la materia: ¿Cómo se presenta?
La materia puede existir en diferentes formas o "fases".
Fases comunes
Fases especiales a bajas temperaturas
- condensado de Bose-Einstein: Un estado muy especial de la materia que se forma a temperaturas cercanas al cero absoluto.
- superfluido: Un líquido que fluye sin ninguna fricción.
- supersólido: Un material que es sólido y superfluido al mismo tiempo.
Cambios de fase
- Transición de fase: Cuando un material cambia de una fase a otra, como el agua que se convierte en hielo.
Sólidos cristalinos: El orden de los átomos
Muchos sólidos tienen sus átomos organizados en patrones repetitivos, como un cristal.
Tipos de sólidos cristalinos
- aislante: Materiales que no conducen bien la electricidad, como el plástico.
- metal: Materiales que conducen muy bien la electricidad y el calor, como el cobre.
- semiconductor: Materiales que pueden conducir o no la electricidad, dependiendo de las condiciones, como el silicio en los chips de computadora.
- cuasicristales: Materiales con patrones atómicos ordenados pero que no se repiten de forma simple.
Fenómenos electrónicos
- superconductividad: La capacidad de algunos materiales de conducir electricidad sin resistencia a bajas temperaturas.
- efecto Hall cuántico: Un fenómeno donde la electricidad se comporta de forma muy especial en presencia de un campo magnético fuerte.
Fenómenos de redes
- ferromagnetismo: Lo que hace que un material sea un imán permanente.
- fonón: Pequeñas vibraciones de los átomos en un sólido que transportan energía.
Materia blanda: Materiales flexibles y complejos
Esta área estudia materiales que son más flexibles o tienen estructuras más complejas que los cristales rígidos.
- sólido amorfo: Sólidos sin una estructura atómica ordenada, como el vidrio.
- materia granular: Colecciones de partículas sólidas, como la arena.
- cristal líquido: Materiales que tienen propiedades entre un líquido y un sólido, usados en pantallas.
- Sistemas de Nanoelectromecánica (NEMS): Dispositivos muy pequeños que combinan partes eléctricas y mecánicas.
Historia de la física de la materia condensada
Esta rama de la física tiene una historia rica, con descubrimientos importantes a lo largo de los siglos.
Primeros estudios clásicos
A principios del siglo XIX, el químico inglés Humphry Davy notó que muchos elementos tenían propiedades metálicas, como el brillo y la capacidad de conducir electricidad. Esto sugería que los átomos no eran tan simples como se pensaba. Davy también creyó que gases como el nitrógeno y el hidrógeno podrían volverse líquidos y comportarse como metales bajo las condiciones adecuadas.
En 1823, Michael Faraday logró licuar el cloro y otros gases. Más tarde, en 1869, un químico irlandés estudió cómo un líquido se convierte en gas y acuñó el término "punto crítico" para describir el momento en que un gas y un líquido son indistinguibles. Hacia 1908, James Dewar y Heike Kamerlingh Onnes lograron licuar el hidrógeno y el helio, respectivamente.
En 1900, Paul Drude propuso un modelo para explicar cómo los electrones se mueven en los metales. Este modelo ayudó a entender por qué los metales conducen electricidad y calor. Sin embargo, no podía explicar algunas cosas, como por qué los metales no se calentaban tanto como se esperaba.
En 1911, Onnes descubrió la superconductividad en el mercurio: su resistencia eléctrica desaparecía por completo a temperaturas muy bajas. Este fenómeno sorprendió a los científicos y tardó décadas en ser explicado.
El avance de la mecánica cuántica
El modelo de Drude fue mejorado por científicos como Wolfgang Pauli, Arnold Sommerfeld y Felix Bloch. Pauli se dio cuenta de que los electrones en un metal seguían reglas especiales de la mecánica cuántica. Sommerfeld usó esta idea para explicar mejor la capacidad de los metales para almacenar calor. Bloch, por su parte, describió cómo se mueven los electrones en una red de átomos.
En 1930, se empezó a usar la estructura de bandas para predecir las propiedades de nuevos materiales. En 1947, John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley crearon el primer transistor basado en semiconductores, lo que revolucionó la electrónica.
En 1879, Edwin Herbert Hall descubrió el efecto Hall, donde se genera un voltaje en un conductor cuando una corriente y un campo magnético se cruzan. Este efecto se entendió mejor con la llegada de la mecánica cuántica.
El magnetismo se conoce desde hace miles de años. En el siglo XIX, científicos como Faraday y Maxwell clasificaron los materiales según su respuesta a los imanes. Pierre Curie estudió cómo el magnetismo cambia con la temperatura. En 1906, Pierre Weiss introdujo la idea de los "dominios magnéticos" para explicar cómo funcionan los imanes. Más tarde, el modelo de Ising describió los materiales magnéticos como una red de pequeños imanes que se alinean.
Física moderna de muchos cuerpos
Después de la Segunda Guerra Mundial, se aplicaron ideas de la teoría cuántica de campos a la materia condensada. Se entendió que los sólidos tienen "excitaciones colectivas" y "cuasipartículas". El físico ruso Lev Landau usó la idea de las cuasipartículas para su teoría del líquido de Fermi. Landau también desarrolló una teoría para las transiciones de fase, explicando cómo los materiales cambian de un estado a otro.
Finalmente, en 1956, John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer crearon la teoría BCS para explicar la superconductividad. Descubrieron que una pequeña atracción entre dos electrones puede hacer que se unan en "pares de Cooper" y fluyan sin resistencia.
En la década de 1960, se estudiaron mucho las transiciones de fase y los "fenómenos críticos". Científicos como Leo Kadanoff y Kenneth G. Wilson desarrollaron ideas importantes para entender estos cambios.
El efecto Hall cuántico fue descubierto en 1980 por Klaus von Klitzing y sus colegas. Observaron que la conductancia Hall (una medida de cómo conduce la electricidad) era un múltiplo exacto de una constante fundamental. En 1981, Robert Laughlin propuso una teoría que explicaba esta precisión. Poco después, en 1982, se descubrió el efecto Hall cuántico fraccionario, donde la conductancia era un múltiplo fraccionario. El estudio de estos efectos sigue siendo un área de investigación activa.
En 1986, Karl Müller y Karl Alexander Müller descubrieron el primer superconductor de alta temperatura, que funcionaba a temperaturas mucho más altas que los anteriores. Estos materiales son complejos y su funcionamiento aún se investiga.
En 2009, David Field y su equipo descubrieron campos eléctricos espontáneos en películas delgadas de gases, lo que llevó al estudio de la "espontelectricidad".
En 2012, se sugirió que el hexaboruro de samario podría ser un aislante topológico, un tipo de material con propiedades electrónicas muy especiales en su superficie.
Galería de imágenes
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Efecto Meissner, un ejemplo de superconductividad.
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Celda hexagonal del niobato de litio.
Véase también
En inglés: Condensed matter physics Facts for Kids
