Fizika XX vijeka: Trijumf fizike čvrstog stanja Najznačajnija dostignuća u fizici – Nobelova nagrada za fiziku

Fizika XX vijeka: Trijumf fizike čvrstog stanja

Najznačajnija dostignuća u fizici – Nobelova nagrada za fiziku -

• Era klasične fizike

• Rana kvantna mehanika

• Kvantno-mehanička revolucija

• Poluprovodničke naprave i strukture

• Superprovodnost i superfluidnost (Fizika niskih temperatura)

• Makroskopski kvantni fenomeni

• Teorijski doprinosi

• Eksperimentalne metode

Uvod

• Početkom XX vijeka mnoge oblasti fizike, kao na primjer: kristalografija, metalurgija, elastičnost, magnetizam, itd, su se razvijale kao autonomne oblasti nauke.

• Tek 40.tih godina XX vijeka različite oblasti istraživanja svojstava čvrstih materijala se “udružuju” u novu naučnu disciplinu nazvanu FIZIKA ČVRSTOG STANJA (FČS)

• Šezdesetih godina XX vijeka u FČS se uključuju i istraživanja fizičkih osobina tečnosti. Tako FČS postaje FIZIKA KONDENZOVANOG STANJA (FKS) ili FIZIKA KONDENZIRANE MATERIJE.

• Prvi kurs pod nazivom Fizika čvrstog stanja uveden je na Harvard-Univerzitetu 1949.g., na inicijativu J.H. Van Vleck-a. Predavač je bio W. Kohn, a kurs je baziran na knjizi F. Seiz: Modern Theory of Solids (1940.g.).

• Prvi kurs fizike čvrstog stanja kod nas organizovan je 1964. godine kroz postdiplomskistudij na smjeru Fizika materijala na Univerzitetu u Beogradu

• Prvi udžbenici bili su:

• D.A. Tjapkin: Elektronska fizika čvrstog tela, IBK’Vinča, 1963-tom I, 1964-t.II

• D.A. Tjapkin: Fizička elektronika čvrstog tela, ZIU,1971.

• C. Kittel: Introduction to solid state physics SA-Beograd,1970.

Posljednje godine ere klasične fizike

Rana kvantna mehanika

• MAX KARL ERNST LUDWIG PLANCK

• (1858-1947) Nobelova nagrada

• "kao priznanje za njegov doprinos napretku fizike otkrićem kvantovanja energije“ (1918)

• ALBERT EINSTEIN

• (1879-1955) Nobelova nagrada

• "za doprinose u teorijskoj fizici, specijalno za otkriće fotoelektričnog efekta“ (1921)

Kvantno-mehanička revolucija

Kvantno-mehanička revolucija

• F. Bloch je iste godine (1928.g.) predložio model po kojem se elektron tretira kao nezavisna čestica koja se kreće u efektivnom potencijalu V(r),

• a koji odražava periodičnost i simetriju rešetke.

• To je dovelo do uvođenja koncepta Blohovih talasa i enegetskih zona:

Zonska teorija

Poluprovodnička revolucija: prethodna istraživanja

• Teorija zonske strukture za energije elektrona u kristalima

• (E. Wigner, F. Seitz, J. Slater: zonalna struktura realnih supstanci: Na, NaCl,..)

• Koncept poluprovodnika (dopiranje primjesama) bio je poznat sredinom 30.-tih godina XX vijeka.

• Istih godina su realizovane prve čvrstotijelne naprave (CuO2 ispravljači korišteni za AC/DC konvertore i varistore u telefoniji).

• 1939-40. prvi eksperimenti sa čvrstotijelnim pojačavačima sa dodatkom treće elektrode realizovani na CuO2, PbS i CdS nisu bili uspješni (nesavršenost materijala)

• Tokom II svjetskog rata Si i Ge (monokristali) postaju nezamjenljivi u izradi GHz-nih ispravljača za radarske prijemnike. Tih godina su već proizvođeni (DuPont) monokristali Si čistoće 99.99%.

Poluprovodnička revolucija: Glavni akteri

Prvi tranzistor

Progres u čvrstotijelnoj tehnologiji

Uticaj dimenzionalnosti

Poluprovodnički laseri - fotonska revolucija

• 1917.g. Ajnštajn predvidio efekt stimulisane emisije svjetlosti.

• 1960.g. realizovan prvi laser korištenjem rubina.

• 1953.g. -maser, mikrotalasna verzija lasera

• Nakon otkrića lasera u okviru samo 5 godina došlo je do razvoja novih oblasti: laserska spektroskopija, korištenje lasera u telekomunikacijama, CO2 laseri za obradu materijala, poluprovodnički laseri, koji su učinili fotonsku revoluciju mogućom.

• Današnje primjene: u različitim oblastima telekomunikacija, lasersko štampanje, bar-kod zapisi, medicina, video i audio diskovi.

Superprovodnost i superfluidnost

SUPERPROVODNOST GLAVNA OTKRIĆA

• 1911 : Holandski fizičar Heike Kamerlingh Onnes

• otkrio supraprovodnost kod žive na temperaturi 4 K.

• 1913 : Kamerlingh Onnes dobio Nobelovu nagradu za

• Istraživanja osobina materije na niskim temperaturama.

• 1933 : W. Meissner and R. Ochsenfeld otkrivaju Meissner-ov efekat.

• 1941 : Naučnici saopštavaju superprovodnost u niobiumovom nitridu na 16 K.

• 1953 : Otkrivena superprovodnost u V3Si na 17.5 K.

• 1962 : Westinghousovi naučnici su razvili prvu komercijalnu niobium- titanium superprovodnu žicu.

• 1972 : John Bardeen, Leon Cooper, i John Schrieffer osvojili Nobelovu nagradu za

• fiziku za prvu uspješnu teoriju superprovodnosti.

• 1986 : IBM istraživači Alex Müller i Georg Bednorz su napravili keramiku od lantana

• barijuma, bakra i kiseonika koja je superprovodnik na 35 K.

• 1987 : Grupe naučnika na Univerzitetu u Houston-u i Alabama Univerzitetu u

• Huntsville-u zamijenili su lantan itrijumom i napravili keramiku koja je

• superprovodna na 92 K, što je dovelo superprovodnost u opsegu temperature

• tečnog azota.

• 1988 : Allen Hermann sa Universiteta iz Arkansas-a je napravio superprovodnu

• keramiku koja sadrži kalcijum i talijum i superprovodnik je na 120 K. Ubrzo

• nakon toga, naučnici IBM i AT&T Bell Labs napravili su keramiku koja je

• superprovodnik na 125 K.

• 1993 : A. Schilling, M. Cantoni, J. D. Guo, and H. R. Ott iz Zurich-a, Switzerland, napravili su superprovodnik od žive, bariuma i bakra, (HgBaCaCuO) sa maksimalnom temperaturom prelaza od 133K.

Primjena superprovodnika

• Danas se superprovodni magneti najvise koriste u tomografiji (MRI sistemi)

Tečna materija

• Tečni kristali:

• Krajem 19-tog vijeka je pronađena grupa polimera koja ima osobinu uređenja molekula pod dejstvom slabog električnog polja.

• Intenzivan razvoj ovih materijala danas je doveo do realizacije ravnih ekrana, ne samo u lap-top kompjuterima, već i kod tv prijemnika, kao i ravnih panoa velikih dimenzija

• Osnovne karakteristike su: manja potrošnja, izuzetan kvalitet slike i boje.

Ostali doprinosi

Ostali doprinosi

• Eksperimentalne metode

• 1944 “Za pionirske doprinose razvoju tehnike neutronskog rasijanja za proučavanje kondenzovane materije i to:

• BERTRAM NEVILLE BROCKHOUSE (1918- ), McMaster-Uni (Hamilton, Ontario)

• "za razvoj neutronske spektroskopije"

• CLIFFORD GLENWOOD SHULL (1915- ), MIT, Cambridge,

• "za razvoj tehnike neutronske difrakcije"

• 1986 ERNST RUSKA (1906-1988), Fritz-Haber-Institut, Berlin

• za njegov fundamentalni rad u elektronskoj optici i za izradu prvog elektronskog mikroskopa" i

• GERD BINNIG (1947-1988), IBM Forschunglabor, Zürich, i

• HEINRICH ROHRER (1933-), IBM Forschunglabor, Zürich

• "za izradu skanirajućeg tunelskog mikroskopa"

Trijumf FKS

• Danas je u ovoj oblasti fizike (u svijetu i kod nas) angažovana skoro polovina svih istraživača u fizici.

• FKS je dovela do razvoja novih tehnologija i proizvoda koji su potpuno promijenili način života i rada. Navedimo samo neke: kompjuteri, optičke i magnetske memorije, monitori na bazi tečnih kristala, poluprovodnički laseri i LED diode, mobilna telefonija, itd..