ESTADO SÓLIDOS Thereza C. de L. Paiva

(1)

ESTADO S

Ó

LIDO

2009.2

Thereza C. de L. Paiva

(2)

Importante

P

á

gina do curso:

www.if.ufrj.br/~

tclp/estadosolido/estadosolido.htm

Como me

encontrar

:

Sala A

-

451

451 tclp@if.ufrj.br

tclp@if.ufrj.br

www.if.ufrj.br/~

tclp

(3)

Bibliografia

Notas de aula do prof. L. E. Oliveira

–

IFI/UNICAMP

(4)

EMENTA

FIW475

FIW475 -- FFíísicasica dada MatMatéériaria CondensadaCondensada Objetivo

Objetivo:: ApresentarApresentar osos conceitosconceitos fundamentaisfundamentais nana FFíísicasica dada MatMatéériaria Condensada

Condensada. . ExemplificarExemplificar a a relevânciarelevância dada identificaidentificaççãoão de de simetriassimetrias nana solu

soluççãoão de de problemasproblemas eletrônicoseletrônicos, , estruturaisestruturais e e magnmagnééticosticos emem ssóólidoslidos peri

perióódicosdicos. . FornecerFornecer aosaos alunosalunos umauma base base adequadaadequada parapara o o estudoestudo de de t

tóópicospicos maismais avanavanççadosados comocomo sistemassistemas desordenadosdesordenados, , teoriateoria BCS BCS dada supercondutividade

supercondutividade e e efeitoefeito Hall Hall quânticoquântico. . Ementa

Ementa:: ModelosModelos de de DrudeDrude e e SommerfeldSommerfeld parapara metaismetais; ; RedesRedes cristalinascristalinas; ; Rede

Rede recrecííprocaproca; ; ElEléétronstrons emem potencialpotencial periperióódicodico; ; AproximaAproximaççãoão de de eleléétrontron quase

quase livrelivre e de e de eleléétrontron fortementefortemente ligadoligado; ; DescriDescriççãoão semiclsemicláássicassica dada dinâmica

dinâmica de de eleléétronstrons emem ssóólidoslidos; ; CoesãoCoesão cristalinacristalina; ; IsolantesIsolantes, , semicondutores

semicondutores e e metaismetais; ; VibraVibraççõesões cristalinascristalinas, , fônonsfônons; ; PropriedadesPropriedades magn

magnééticasticas dada matmatéériaria; ; Aplica

Aplicaççõesões especespecííficasficas queque devemdevem variarvariar de de semestresemestre parapara semestresemestre conforme

conforme motivamotivaççãoão do professor e do professor e dada turmaturma:: temas para semin

(5)

Crit

é

rio de aprova

ç

ão

Provas e semin

á

rios

M=(P1+P2+S)/3

Se M

≥

7

7 : aprovado

: aprovado

Se M

≤

3

3 : reprovado

: reprovado

Se

3 < M

< 7

: faz prova final

PF substitui P1 ou P2 MF = (PF+Pi+S)/3

Se MF ≥ 5 : aprovado Se MF < 5 : reprovado

(6)

Temas para semin

á

rios

Supercondutividade de alta temperatura

(

cupratos

e/ou

Fe

As)

Dispositivos semicondutores (LED, OLED e outros)

Nanoestruturas

de carbono (

nanotubos

e/ou

grafeno

)

Efeito Hall (Cl

á

ssico, Quântico, Fracion

á

rio)

Magnetorresistência

Gigante

Manganitas

Efeito

Kondo

V

ó

rtices em supercondutores

–

Abrikosov

Superfluidez

(7)

DATAS

P1

-

21/09

P2

-

23/11

PF

-

21/12

Semin

á

rios:

(50 minutos)

25/11, 30/11, 2/12, 7/12, 9/12, 14/12,

16/12, ...

Estarei viajando de 21/09 a 02/10

precisaremos de aulas extras

(8)

O que

é

_é

a F

_{a F}

í

_í

sica do estado s

_{sica do estado s}

ó

_ó

lido?

_lido?

Estuda os

s

ó

lidos

Desafios:

⇒

_{conhecer os}

_{mecanismos físicos}

_{responsáveis pelo}

comportamento mecânico, térmico, elétrico,

magnético e óptico dos materiais

(9)

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.

(10)

Avan

ç

os tecnol

ó

gicos

(11)

Richard P. Feynmann (1918-1988)

Prêmio Nobel 1965

“QED, the Strange Theory of

Light and Matter”

The most interesting problems

today – and certainly the most

practical problems – are obviously

in Solid State Physics.

(12)

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

3

_He

_⇒

_{formação de cordas}

cosmológicas.

• Teoria Quântica de Campos: transições de fase (em magnetos,

supercondutores, ferroelétricos, cristais

líquidos, etc)

⇒

_{quebra de simetria.}

(13)

Impacto sobre outras áreas

Física da Matéria

Condensada

Química

Biologia

Medicina

Ciência dos Materiais

Ciência da Computação

Eletrônica

Nanociência e

Nanotecnologia

(14)

O que

é

_é

a F

_{a F}

í

_í

sica do estado s

_{sica do estado s}

ó

_ó

lido?

_lido?

Aplica

ç

ão da teoria quântica a

sistemas com muitos corpos

(15)

“The behavior of large and complex

aggregates of elementary particles,

it turns out, is not to be

understood in terms of a simple

extrapolation of the properties of

a few particles.”

Science 177, 393 (1972)

Philip W. Anderson

More is

different

_different

(16)

“

Teoria quântica de s

ó

lidos

”

(ou da

mat

é

ria condensada)

Muito pouco de nosso conhecimento das propriedades da mat

é

ria não

depende de alguma forma da

teoria quântica

.

Questões B

á

sicas:

(1)

Por que os s

ó

lidos se comportam da forma observada?

(2)

Previsão te

ó

rica de

fen

ô

menos

Em muitos casos não saberemos responder...

De qualquer modo

é

de grande utilidade ter um conhecimento razo

á

vel

das propriedades dos s

ó

lidos!

Efeito Hall Quântico

Supercondutividade de alto

(17)

“

Classifica

ç

ão

”

de S

ó

lidos

“SÓLIDO” : agregado cristalino regular de átomos

→ simetria translacional

Classificação

Simetria de suas estruturas cristalinas (geometria)

Propriedades físicas (configuração elétrons de valência) Coesão cristalina

Propriedades magnéticas supercondutividade

(18)

Geometria: estrutura cristalina

Cúbica simples Cúbica de corpo centrado Cúbica de close packed

hexagonal close packed _carbono manganitas

YBaCuO perovskitas

(19)

“BANDAS” DE ENERGIA ISOLANTE

Ex: halogenetos alcalinos NaCl, KCl, NaBr,etc

gaps: 5-10 eV

METAL

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

E

gap

Propriedades de transporte

(20)

(21)

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

(22)

__________________________________ ligação eV/atom

__________________________________ 1) Cristais moleculares fraca -0.02 a -0.20 2) Hydrogen-bonded crystals moderadamente fraca 3) Metais moderada a forte

4) Cristais covalentes forte

5) Cristais iônicos muito forte -3 a -6 _________________________________

(23)

Compostos III-V : Ga As, Al P, InSb, etc...

→ parcialmente ionicos, parcialmente covalentes (NH4)+ _Cl- _NH

4+ → ligação molecular

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

5. METAIS

→ “gás de elétrons”

semimetais : ex: grafeno → As, Bi, Sb

(24)

“

Classifica

ç

ão

”

de S

ó

lidos

Cristal molecular Ne, Ar, Kr, Xe, Rn → FCC (solid noble gases) Ar 1s2 _2s2 _2p6 _3s2 _3p6

Cristais iônicos I-VII 6447448

6447448 6447448 6447448

KCl, NaCl, KBr, etc...

(halogenetos alcalinos, etc...) K [Ar] 4s1 _→ _{19 e} Cl [Ne] 3s2 _3p5 _→ _17e Cristal iônico IV-IV III-V 6478 6478 6478 6478 64748647486474864748

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

C 1s2 _2s2 _2p2

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

(25)

(26)

(27)

(28)

Supercondutividade

dos

elementos

Efeito de proximidade

pressão

dopagem

irradiação

fase estrutural

amorfo

Se

(29)

Propriedades magnéticas

Outro tipo de classificação:

FERRIMAGNETISMO FERROMAGNETISMO PARAMAGNETISMO

DIAMAGNETISMO

(30)

Multicamadas metálicas

magnetoresistência gigante

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

A. Fert e P. Grünberg (2007)

Interdependência ...

Magnetismo + transporte

(31)

Supercondutores de alta temperatura

Geometria + Magnetismo +

transporte

YBa

₂

Cu

₃

O

_7-δ AF SUC

(32)

“

Condensed

-

matter

physics

is

like

fine

wine

:

you

have

to

develop

a

_a

taste

_taste

for it

_{for it}

”

_”

Marvin

L. Cohen

University

of

California

at

Berkeley

June