مادۀ چگال

فیزیک مادۀ چگال رشتۀ گسترده‌ای است که فیزیک حالت جامد و فیزیک شاره‌های کوانتومی نظیر هلیوم‌های مایع را شامل می‌شود. پیشرفت‌های اخیر در این رشته را می‌توان به اختصار در پدیده‌های جدید، مواد جدید، دستگاه‌های جدید گروه‌بندی کرد. در سال‌های اخیر فعالیت روی عناوینی نظیر جایگزینی تلاطم حالتِ جامدی، گذارهای فاز دو بُعدی، و اثر هال کوانتومی به شدت ادامه داشته است. آخرین و احتمالاً جالب‌ترین جنبۀ اثر هال کوانتومی با تفصیل بیش‌تری در زیر توصیف خواهد شد.
ایدۀ «برانگیختگی‌های بنیادی» یکی از مفاهیم وحدت‌بخش فیزیک مادۀ چگال و مشابه«ذرات» در فیزیک ذره است. یکی از قدیمی‌ترین برانگیختگی‌های بنیادی «فونون» است، یک مُد جمعی که خصوصیاتش در مادۀ موردنظر نمایانگر خوبی از ساختار و نیروهای در کار در آن ماده است. فیزیک فونون شاخۀ فعالی از فیزیک مادۀ چگال است و در این‌جا ضمن بحثی دربارۀ تصویرگیری فونونی ارائه می‌شود. غنی‌ترین گروه‌های برانگیختگی‌های بنیادی احتمالاً آن‌هایی هستند که در بلورهای آب‌گون و در حالت‌های ابر رسانایی (_^3)He آب‌گون مشاهده می‌شوند. در زیر برخی از جنبه‌های مُدهای جمعی در دستگاه‌های اخیر را که به طور شگفت‌انگیزی «اتم‌گونه» هستند بررسی می‌کنیم.
تونل‌زنی جلوۀ مهمی از رفتار کوانتومی است و در هسته‌ها، مولکول‌ها، بلورها و در سیستم‌های چند الکترونی نظیر پیوندگاه‌های ابر رسانایی، و احتمالاً، در رساناهای یک بُعدی غیر خطی مشاهده می‌شود. تونل‌زنی در مقیاس ماکروسکوپیک از یک طرف مسائل مفهومی وابسته به بنیان‌های مکانیک کوانتومی و از طرف دیگر رفتار مفیدی که می‌تواند در وسایلی چون ترانزیستورهای ابر رسانایی به کار گرفته شود را عرضه می‌دارد. در سطحی ظریف‌تر، تونل‌زنی اکنون امکان تولید تصاویر از سطوح را در مقیاس اتمی به دست می‌دهد.
تابش سینکروترونی هم‌چنان چشمۀ بسیار مهم فوتون‌های فرابنفش و پرتو X برای فیزیک تجربی مادۀ چگال است. در برخی از آخرین پیشرفت‌ها از ساختار کوتاه مدت سینکروترون کورنل برای انجام اندازه‌گیری‌های پراش پرتو X با زمان تفکیک نانو ثانیه استفاده شده است. از جمله تجهیزات بزرگ مقیاس جدید دیگری که بر فیزیک مادۀ چگال اثر داشته‌اند دستگاه پراکنش نوترون کوچک زاویۀ آزمایشگاهی اُک‌ریج و چشمۀ قوی نوترون تپی، در آزمایشگاه ملی آرگون است.
علم مواد با فیزیک حالت جامد فصل مشترک پیدا می‌کند و مدام مواد جدیدی برای مطالعه و پدیده‌های جدیدی برای توضیح عرضه می‌دارد. بلورهایی که لایه‌های آن‌ها به طور مصنوعی با تکنیک‌های برآرستی مختلف رشد داده می‌شوند نمونه‌هایی از نیمه رساناها و فلزات فراهم می‌آورند که خواصشان را می‌توان تقریباً به دل‌خواه تغییر داد. فیزیک نیمه رساناها و الکترونیک حالت جامدی دو رشته‌ای هستند که در حال حاضر از وجود فراشبکه‌ها و دگر ساختارهای نیمه رسانایی بهره‌مند می‌شوند؛ اگرچه تکنیک سرراست‌تر آلایش عمدی بلورها به ناخالصی‌ها هم‌چنان موادی با خواص جالب و مفید تولید می‌کند.
در زیر دو نمونه با تفصیل بیش‌تر بحث می‌شوند، یکی نیمه رساناهای مغناطیسی رقیق و دیگری موضوع قدیمی مراکز رنگی که حالا، تا حدودی به خاطر لیزرهای مرکز رنگی، بسیار جالب شده است.