Fase kondentsatu ezagunenak solidoak eta likidoak dira, atomoen arteko loturen eta indar elektromagnetikoen ondorio direnak. Fase kondentsatu “exotikoagoen” artean, sistema atomiko batzuetan tenperatura oso baxuetan gertatzen diren superjariakortasun-fasea eta Bose-Einstein kondentsatua ditugu. Halaber, material batzuetan eroankortasun-elektroiek erakusten duten supereroankortasun-fasea eta, nola ez, sare atomikoetako atomoen spinek zenbait materialetan osatzen dituzten fase ferromagnetikoak eta antiferromagnetikoak ere aipaturiko fase kondentsatuen artean ditugu. Materia kondentsatuaren fisika oso arlo zabala bilakatu da azken urte hauetan, eta egungo fisikaren arlo handiena da gaur egun; izan ere, kalkuluen arabera, fisikari guztietatik herenak hartzen du bere burua materia kondentsatuaren fisikaritzat.

Sarrera eta historia

Fisikaren atal honek substantzia solido eta likidoen egitura, propietate termikoak, elastikoak, elektrikoak, magnetikoak eta optikoak aztertzen ditu. Materia osatzen duten atomoak eta molekulak hiru agregazio-egoeratan ager daitezke: solido, likido eta gasa. Egoera horiek tenperatura baxuko, tarteko eta altuko egoera naturalak dira, hurrenez hurren. Izotza, ura eta ur-lurruna eguneroko bizitzan oso gertukoak ditugu, eta, halaber, batetik besterako egoeren trantsizioak. Tenperatura baxuenetan, egoera egonkorra egoera solidoa da.

Fisikaren arlo honek planteatzen dituen problemen ebazpena XX. mendeko 20ko hamarkadan abiatu zen. Mekanika kuantikoaren aurkikuntzak itxaropen handia sortu zuen fisikariengan, zeren aukera ematen baitzuen mekanika kuantikoaren bidez eguneroko mundu materiala maila atomikoan planteatutako ekuazioetatik azaltzeko. Arnold Sommerfeld fisikari alemaniarrak eta berak sorturiko eskolak mekanika kuantikoa aplikatu zuten metalen egitura elektronikoaren probleman. Orduz geroztik, fisikaren arlo hau hazi besterik ez da egin, eta arrakasta horren arrazoietariko bat da aplikazio teknologikoen gertutasuna. Materia kondentsatuaren oinarrizko tresna mekanika kuantikoa da, eta solidoen fisika izeneko teoria kuantikoaren aplikazio arrakastatsuenetako bat da. Elektroiek kristal batean azaltzen duten jokamoldearen teknika matematiko eta konputazionalen bidezko deskribapen zehatza oinarria izan da solidoen oinarriaren eta propietate elektromagnetikoen, kimikoen, termikoen edo mekanikoen artean zubi bat eraikitzeko. Arlo hau metalen fisika modura hasi bazen ere, termino horrek kanpoan uzten zituen beste solidoak, adibidez, kristal ionikoak. Horregatik, egoera solidoaren fisika terminoa erabiltzen hasi zen 1947. urtetik aurrera, hain justu, American Physical Society erakundeak Solido Egoeraren Fisika atala sortu zuenetik. Dena den, hurrengo hamarkadan, solido-egoera terminoa ere oso mugatua geratu zen, metal likidoak, helio likidoa, kristal likidoak edo polimeroak aztertzen hasi zirenean. 1963. urtean, Busch hasi zen Physik der Kondensierten materie/Physique de la matière condensée/Physics of condensed matter aldizkaria argitaratzen, eta, gerora, 1978. urtean, American Physical Society erakundearen Egoeraren Solidoren Fisika atalak erabaki zuen izena aldatzea, hots, materia kondentsatuaren fisika izena ematea. Fisikaren arlo honi materia kondentsatu deitzeko arrazoietako bat hau da: solidoak aztertzeko garatu diren hainbat kontzeptu eta teknika jariakinak aztertzeko erabiltzen direnak izatea. Adibidez, elektroi eramaileek eroale elektriko batean jariakin kuantiko mota bat osatzen dute, atomoz osaturiko jariakinaren antzekoa. Izan ere, oso antzekoak dira supereroankortasun-fenomenoa, zeinean elektroiak fase berri batean kondentsatzen diren, eta fase horretan iraungipenik gabeko jarioan murgiltzen diren eta tenperatura baxuetan aurkitu den helio-3 sistemaren superjariakortasun-fasea.

XX. mendearen bigarren erdian nabarmen hazi da fisikaren arlo hau, eta lorpen zientifiko eta teknologiko garrantzitsuak lortu dira, transistorea, adibidez.

Materia kondentsatuaren fisika oso arlo zabala bilakatu da, eta mundu materiala esplikatzea du helburu, solidoen eta likidoen egitura-propietateak eta propietate elektronikoak barne. Arlo honetan, fisika estatistikoa, materialen fisika eta solidoen eta likidoen mekanika gainezartzen dira. Gainera, harreman estua du kimikarekin, nanoteknologiarekin eta ingeniaritzarekin. Dibertsitate zabal horrek arazoak sortzen ditu hainbatetan, hurbilketen bateratzea asko zailtzen baitu.

Arlo honetan, esperimentuek eginkizun garrantzitsua dute. Materia kondentsatuak aztertzen dituen sistemak korapilatsuegiak dira haien jokabide kualitatiboa maila atomikoko oinarrietatik soilik lortzeko. Teoriak materia kondentsatuen jokabidea esplikatu ahal izango du, baina bakar-bakarrik esperimentu batek jokabide kualitatiboaren izaera mugatzen duenean. Bestalde, esperimentu gehienak ezin daitezke kuantitatiboki azaldu teoriaren laguntzarik gabe.

Materia kondentsatuaren fisikaren zenbait arlo

Solido kristalinoak

Material solidoen artean, aurrerapen teoriko nagusiak material kristalinoen azterketan gertatu dira. Solido kristalinoetan, atomoak espazioko hiru norabideetan era ordenatuan kokatzen dira, errepikapen-irizpide bati jarraituz. Propietate harrigarri hori, neurri handi batean, eredu sinpleetan oinarritzen da, solido perfektu batetik abiatzen diren ereduetan, hain zuzen. Baina ez dago akatsik gabeko solido errealik. Hala ere, horrek ez du txikitzen eredu horiek duten interesa.

Solido batean atomoak elkarren artean distantzia handietaraino koordinaturik daudenez, solidoaren teoria atomoena eta molekulena baino haratago doa. Izan ere, metaletan elektroi “askeak” deiturikoak daude, materialen eroankortasun elektrikoaren eta termikoaren erantzule direnak. Elektroi horiek solido osoari dagozkie, ez atomo bakar bati.

Solido kristalinoez ari garenean, propietate elektrikoei dagokienez zenbait motatako materialez ari gara; hots, aipaturiko metalez, erdieroaleez eta isolatzaileez.

Atal honetan, bereziki, eta materia kondentsatuaren fisikan, oro har, material erdieroaleen arloan gertatu dira aurrerapen nabarienetakoak. Egungo elektronika gailu erdieroaleetan oinarrituta dago. Industria dinamiko eta lehiakorrak sustatuta, erritmo onean dirau gailu gero eta txikiagoetarako lasterketak —ordenagailu gero eta konpaktuagoetara, azkarragoetara eta eraginkorragoetara daramana—. Material erdieroaleen ikerketa bolumen-propietateetatik abiatu eta gainazalen ezagutzara pasatu zen, eta, azkenaldi honetan, geruza anitzekoak ikertzen ditu; hots, atomotan neurtzen den lodierako geruza erdieroalez osatuak. Erdieroale baten ezaugarri bereizgarria da energia-tarte debekatua, hau da, balentzia-bandako egoera elektronikoen eta eroankortasun-bandaren egoera elektronikoen artean energia-tarte debekatua izatea. Tenperatura oso baxua denean, balentzia-banda beterik egoten da, eta eroankortasunekoa, hutsik. Tenperatura apurtxo bat altuagoa denean, aldiz, elektroi batzuek behar adinako energia lortzen dute eroankortasun-bandara jauzi egiteko eta, ondorioz, kristalean barrena higitzeko.

Ordenagailuetarako gero eta gailu azkarragoak lortzeko soluzio posible bat da elektroiak silizioan baino azkarrago mugitzen diren material bat aurkitzea. Horixe gertatzen da, adibidez, galio artseniuroan. Beste irtenbide bat gailu txikiagoak egitea da. Horrela, elektroiek era balistikoan zeharkatzen dute erdieroalea, hau da, sare kristalinoaren atomoen bibrazioetan sakabanatu gabe.

a) Silizioaren gelaxka unitatea; b) silizio landugabea; c) silizio oso purua eta leundua, olatak mozteko prest; d) siliziozko olata txipekin

Solido ez-kristalinoak

Solido kristalinoekin alderatuz, solido ez-kristalinoetan, atomoak espazioko hiru norabideetan ezin daitezke era ordenatuan kokatu; hots, ezin zaio errepikapen-irizpide bati jarraitu solido ez-kristalino bat osatzeko. Beraz, solido ez-kristalinoetan desordena-maila bat dago, eta, horren arabera, zenbait motatako solido ez-kristalinoak ditugu. Kasu honetan ere, propietate elektrikoei dagokienez eta kristalinoetan gertatzen den bezala, solido ez-kristalinoak isolatzaileak, metalak zein erdieroaleak izan daitezke.

Amorfoak edo beirak

Baldintza egokietan, material solidoak lor daitezke, baina haien atomoak —sare kristalinoan era perfektuan ordenaturik ez daudenak— likidoen moduko paketatzea azaltzen dute. Izan ere, materiala fase likidoan dagoenean hozketa ultralasterra eginez lortzen dira. Horretarako, hainbat teknika daude. Mota horretako materialei solido amorfo edo beira deritze. Paradoxikoa bada ere, hizkuntza arruntean kristal deitzen zaion leihoetako beira da solido ez-kristalino ezagunena. Desordena estrukturalaren ondorioz, solido desordenatuaren zenbait propietate aldatzen dira fase kristalinoarekiko. Desberdintasun horietan oinarritzen dira aplikazio tekniko asko. Hala ere, beira metaliko askotan desordena ez da absolutua, badaude atomoen ordena lokaleko eskualdeak, zeinetan atomoek egitura ikosaedrikoak osatzen dituzten.

Kuasikristalak

1984. urtean, D. Schechtman, I. Blech, D. Gratias eta J. W. Cahn zientzialariek kristalografiaren teorema garrantzitsuenetariko bat betetzen ez zuen materiala (oso arin hozturiko aluminio- eta manganeso-aleazio berezia) aurkitu zuten; alegia, irismen luzeko 5. ordenako simetria zuen materiala (simetria ikosaedrikoa). Irismen luzeko ordena ikosaedrikoa ez da bateragarria kristal arrunten periodikotasun zorrotzarekin, baina, aurkikuntza horren ostean, ordenamendu berezi horretako material berriak aurkitu ziren. Ordena berezia duten materialak kristalen eta amorfoen tartekoak dira, kuasikristal izena dute, eta irismen luzeko simetria ikosaedrikoa dute, baina ez solido kristalino guztiek duten translazioko simetriarik. Kuasikristaletan periodikotasun estrukturala kristal arruntetan bezain zorrotza ez delako gertatzen da hori.

Spineko beirak

Solido kristalinoetan badaude desordenaren adierazpen zoliagoak ere. Har ditzagun zenbait aleazio metalikoren atomo magnetikoak, horiek dituzten spineko momentu magnetikoak eta haien arteko orientazio erlatiboak. Momentu horiek desordenatuta daudenean, spineko beirak ditugu. Sistema horiek deskribatzeko garatu diren eredu matematikoak, gainera, prototipo izan dira beste problema informatikoak, neurologiakoak edo eboluziokoak deskribatzeko.

Materia kondentsatu biguna

Materia kondentsatuaren azpiesparru honek kontuan hartzen ditu tentsio edo/eta fluktuazio termikoen eraginez erraz deforma daitezkeen egoera fisikoak, besteak beste, likidoak, koloideak, polimeroak, aparrak, gelak, material pikortsuak eta hainbat material biologiko. Material horiek guztiek komunean zera dute: jokaera fisiko nagusien energia-eskala giro-tenperaturako energia termikoaren eskala berekoa da. Tenperatura horietan, fenomeno kuantikoak eskuarki ez dira garrantzitsuak izaten.

Materia kondentsatu bigunaren sortzaileak, Pierre-Gilles de Gennesek, 1991n Fisikako Nobel saria lortu zuen sistema termodinamiko sinpleen ordena-parametroa sistema askoz korapilatsuagoei (bereziki, kristal likidoetara eta polimeroetara) aplika dakiekeela aurkitzeagatik.

Materia bigunean, euren osagai atomiko edo molekularretan oinarrituta zuzenean aurresan ezin daitezkeen edo aurresaten zailak diren jokaera interesgarriak agertzen dira. Zenbaitetan, horren arrazoia da materia biguna egitura fisiko mesoskopikoetan antolatzen dela eta egitura horien neurria maila mikroskopikoarena (atomoen eta molekulen antolamendua) baino askoz handiagoa eta materialaren neurri makroskopikoa baino askoz txikiagoa dela. Egitura mesoskopiko horien propietateak eta elkarrekintzak materialaren jokabide makroskopikoa mugatu dezakete. Adibidez, likido baten jarioan berez gertatzen diren zurrunbiloak likido osoaren kantitatea baino askoz txikiagoak izaten dira, baina likidoaren molekula bakartiak baino askoz handiagoak. Hala eta guztiz ere, berez gertatzen diren zurrunbilo horiek materialaren jario osoa mugatzen dute. Era berean, aparraren (foam) burbuilak mesoskopikoak dira, burbuila bakoitza molekula askoz osatuta baitago, eta aparra bera burbuila pila batez. Burbuilen arteko elkarrekintzak aparraren zurruntasun mekanikoa finkatzen du. Alderatzeko asmoz, materia kondentsatu “gogorrean”, materialaren jokaera globala aurresan daiteke hainbatetan, molekulak kristal-sare batean antolatuta daudelako; hots, eskala mesoskopikoetan inolako aldaketarik ez dutelako erakusten.

Materia kondentsatuaren fisikaren pil-pileko zenbait gai

Superjariakortasuna, supereroankortasuna

Materia kondentsatuak egoera likido arruntaren, kristal likidoen eta zero absolututik hurbileko likido kuantikoen propietateak barne hartzen ditu. Azken horiek superjariakortasun izeneko propietatea agertzen dute (inolako marruskadurarik gabeko jarioa), fenomeno kuantiko makroskopikoen adibide. Horrelako fenomeno kuantiko makroskopikoen beste adibidea supereroankortasuna dugu (inolako erresistentziarik gabeko jario elektrikoa), tenperatura baxuetan material metaliko eta zeramiko batzuk erakusten duten propietatea, alegia. Materia kondentsatuaren alorra teknologiarako garrantzi handikoa izan arren, likido eta solido makroskopikoen egoera kuantikoak oso garrantzitsuak dira izarren egituraren teoria astrofisikoetarako, adibidez, neutroizko izarrei buruzkoetarako.

Hall efektu kuantikoa

Zenbait erdieroaletan gertatzen den fenomeno bitxia dugu Hall efektu kuantikoa. Fenomeno honen aurkikuntzagatik Klaus von Klitzingek Nobel saria jaso zuen 1985. urtean. Efektu hau behatzeko, material erdieroalean elektroi-geruza oso mehea sortu behar da, nanometro ingurukoa, eta “bi dimentsioko sistema” hori tenperatura oso baxuan eta eremu magnetiko oso indartsu baten eraginpean mantendu behar da. Efektu honen bidez, oinarrizko konstanteak zehaztasun handiz neur daitezke.

Tenperatura altuko supereroaleak

Fisikan eta, bereziki, materia kondentsatuaren fisikaren arloan, azken urteotako gertakari garrantzitsuenetariko bat izan da 1986. urtean tenperatura altuko supereroankortasuna aurkitu izana. Fenomeno hau material zeramikoetan gertatzen da; izan ere, materiala hozterakoan egoera normaletik egoera supereroankorrerako trantsizioa ohiko supereroaleetan baino tenperatura askoz altuagoetan gertatzen da. Bednorzek eta Mullerrek aurkitu zuten material zeramikoak 28 Kelvin gradutan supereroale bihurtzen direla —hau da, korronte elektrikoari ez diote erresistentzia elektrikorik agertzen—. Horren ostean, lasterketa eroa hasi zen munduko laborategi askotan, trantsizio-tenperatura gero eta altuagoaren bila. Azkeneko helburua da giro-tenperaturaren gertuko trantsizio-tenperatura duten materialak aurkitzea, haiekin hari supereroaleak egin eta industriako aplikazioetan erabiltzeko. Orain arte lortu den trantsizio-tenperatura altuena 135 K izan da (1988an), talioa, barioa, kaltzioa eta oxigenoa dituen konposatuan. Teoriaren aldetik, ahalegin handiak egin dira tenperatura kritiko altuko supereroaleen oinarrizko mekanismoa azaltzeko, baina oraindik ere gai irekia eta bizia dugu. Dudarik gabe, supereroale zeramiko berrien egitura kristalografiko bitxiak mekanismoaren ulermena zailtzen du neurri handian. Material horiek perovskiten familiako osagai akastunak dira. Dena den, nahiz eta material horien supereroankortasunaren mekanismoak ezezagunak izan, argi dirudi kobrez eta oxigenoz osaturiko planoak dituztela denek eta plano horiek elektroientzako autopista perfektuak direla.

Bose-Einstein kondentsatua

Fase-trantsizioak arruntak dira naturan, adibidez, ur-lurrunaren kondentsazioa azal hotz baten gainean. Fase-trantsizio bitxiek, Bose-Einstein kondentsatuak (BEC), esaterako, interes handia sortu zuten fisikan. Fisika kuantikoak aurresan zuen propietate oso desberdinak zituen kondentsatu berezi bat existitzen zela. Gas kondentsatu gehienak egoera kuantiko desberdinetan dauden atomoz osatuta daude. Baina posible balitz kondentsatu bat sortzea haren atomo guztiak egoera kuantiko berean egonik, atomo-multzo horrek entitate kuantiko makroskopiko bakunaren modura jokatuko luke eta atomo bakarraren antzeko propietateak izango lituzke. Materia-mota horri Bose-Einstein kondentsatu deritzo, Einsteinen eta Satyendra Bose fisikari indiarraren ohorez; izan ere, bi zientzialari horiek posibilitate hori plazaratu zuten XX. mendearen hasieran. Aldiz, praktikan, zailtasun handiak zeuden horrelako kondentsatua sortzeko, gas diluitua zero absolutuaren inguruan (–273,15 °C) hoztu behar baita, energia zinetiko ia guztia kentzeko, baina ohiko likidoan edo solidoan kondentsatu gabe. Bose-Einstein kondentsatuak 1995. urtean lortu ziren lehenengo aldiz, baina atomoak “botila” magnetiko batean harrapatzen ziren, eta distortsio efektu batzuk agertzen ziren. Efektu horiek ekiditea lortu zen laser bidezko hozketako gailuen garapenarekin, atomoei kendutako energia zinetikoa laser eremura pasatuz. Horrelako teknika erabiliz, 1998. urtean Massachusetts Institute of Technology zentroko fisikariek 100 milioi hidrogeno-atomoren kondentsatua lortu zuten, zero absolutuaren gainetik 40 mikrokelvinean. 2001. urtean, Fisikako Nobel saria Bose-Einstein kondentsatuaren lorpenari egokitu zitzaion.

Horren ondoren, gailu praktikoen garapena —tomoen fisikaren eta optikaren teknika aurreratuetan oinarrituak— gerturatu egin zen. Amerikako Estatu Batuetako NIST institutuan Scott Diddamsek zuzendutako taldeak munduko erlojurik egonkorrena eraiki zuen, 1 segundo 100 milioi urteko doitasunarekin. Horretarako, hoztutako merkurio-atomo bakar baten interakzioa laser izpi batekin erabili zuen.

Rubidio-atomo gas baten abiadura-banaketa, materiaren Bose-Einstein kondentsatuaren fase berriaren sorrera erakusten duena