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1 1. Introdução 1.1- Física da Matéria Condensada Um dos sucessos iniciais da Mecânica Quântica consistiu na descrição da estrutura atômica. Sendo a matéria feita de átomos, ingenuamente poderia se pensar que isto seria suficiente para entender a estrutura da matéria. De fato, a matéria no estado gasoso pode ser, com muito boa aproximação, descrita como uma coleção de átomos isolados, que apenas interagem de maneira breve quando colidem. Mas o mesmo não ocorre quando a matéria se encontra no estado líquido ou sólido, o que chamamos de matéria condensada. Neste caso, os átomos estão muito mais próximos entre si e portanto interagem de maneira muito mais significativa. Tão significativa que, em muitas situações, estes átomos e seus elétrons passam a atuar de forma coletiva. Tratar um sistema condensado como uma mera coleção de átomos é portanto insuficiente para descrever toda a riqueza de novas propriedades que surgem quando átomos se unem para formar sólidos ou líquidos1. Esta diversidade é a principal característica dos materiais condensados. A cada dia, novos e inesperados fenômenos são descobertos, fazendo da Física da Matéria Condensada (FMC) a maior área de toda a Física, e também a que cresce mais rapidamente. Novos materiais, com melhores propriedades mecânicas, térmicas, elétricas, óticas ou magnéticas são pesquisados e produzidos incessantemente, com benefícios imediatos para a sociedade. Por outro lado, esta mesma diversidade é problemática do ponto de vista didático. Torna-se impossível descrever, de maneira compreensiva e em um curso introdutório, toda esta interessante gama de propriedades que habitam as fronteiras da pesquisa em FMC. Isto faz com que um curso deste tipo tenha uma função dupla: fornecer de forma concisa a base necessária para que estudantes que venham futuramente a trabalhar na área possam depois aprofundar sua formação e, simultaneamente, informar sobre os desenvolvimentos recentes da pesquisa na área. Assim, naturalmente o curso se divide em duas partes distintas: na primeira parte, de Fundamentos, os conceitos básicos relativos a sólidos cristalinos2 serão introduzidos. Isto será feito em 6 capítulos, o que tomará aproximadamente 2/3 do curso: Coesão Cristalina, Estruturas Cristalinas, Rede Recíproca, Elétrons em Sólidos, Dinâmica de Elétrons em Sólidos, e Vibrações Cristalinas. Na segunda parte, de Tópicos, será feita uma introdução às quatro maiores áreas de pesquisa atual em FMC: Semicondutores, Magnetismo, Supercondutividade e Nanotecnlogia. 1 Esta noção está descrita de forma belíssima no artigo clássico de P. W. Anderson, "More Is Different", Science 177, 393 (1972): "The ability to reduce everything to simple fundamental laws does not imply the ability to start from those laws and reconstruct the universe." 2 O estudo da FMC se iniciou pelo tipo mais simples de matéria, o sólido cristalino, que será nosso objeto de estudo na maior parte deste curso. Por este motivo, esta área da física se denominava anteriormente Física do Estado Sólido. 2 Esta apostila servirá para indicar de forma detalhada os trechos dos livros-texto recomendados que serão abordados em sala de aula, bem como para sugerir leituras e atividades adicionais. Em alguns casos, parte da matéria que não está adequadamente descrita em nenhum dos livros será apresentada em maior detalhe aqui. 1.2- As Grandes Descobertas Podemos analisar a evolução histórica da FMC de maneira ilustrativa através de suas grandes descobertas, em especial aquelas que mereceram o Prêmio Nobel de Física. A Tabela 1.1 contém uma lista dos Prêmios Nobel em FMC. Note que o número de Prêmios Nobel em FMC é bastante acentuado nos últimos anos: aproximadamente metade dos prêmios dos últimos 25 anos foi para a FMC. Tabela 1.1 – Prêmios Nobel em Física, na área de FMC. 1910 J. D. Van der Waals "for his work on the equation of state for gases and liquids". 1913 H. Kamerlingh Onnes "for his investigations on the properties of matter at low temperatures which led, inter alia to the production of liquid helium". 1914 M. T. F. von Laue "for his discovery of the diffraction of x-rays by crystals". 1915 W. H. Bragg e W. L. Bragg "for their services in the analysis of crystal structure by means of x-rays". 1920 C. E. Guillaume "in recognition of the service he has rendered to precision measurements in physics by his discovery of anomalies in n ickel steel alloys". 1928 O. W. Richardson "for his work on the thermionic phenomenon and especially for the discovery of the law named after h im". 1930 C. V. Raman "for his work on the scattering of light and for the discovery of the effect named after him". 1937 C. J. Davisson e G. P. Thomson "for their experimental discovery of the diffraction of electrons by crystals". 1946 P. W. Bridgman "for the invention of an apparatus to produce extremely high pressures, and for the discoveries he made therewith in the field of high pressure physics". 1952 F. Bloch and E. M. Purcell "for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith". 1956 W. Shockley, J. Bardeen e J. H. Brattain "for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect". 1961 R. L. Mössbauer "for his researches concerning the resonance absorption of gamma radiat ion and his discovery in this connection of the effect which bears his name". 1962 L. D. Landau "for his pioneering theories for condensed matter, especially liquid helium". 1970 L. E. F Néel "for fundamental work and discoveries concerning antiferromagnetism and ferrimagnetism which have led to important applicat ions in solid state physics". 1972 J. Bardeen, L. N. Cooper e J. R. Schrieffer "for their jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS - theory". 1973 L. Esaki e I. Giaever B. D. Josephson "for their experimental discoveries regarding tunneling phenomena in semiconductors and superconductors, respectively"; "for his theoretical predictions of the properties of a supercurrent through a tunnel barrier, in particu lar those phenomena which are generally known as the Josephson effects". 1977 P. W. Anderson, N. F. Mott e J. H. Van Vleck "for their fundamental theoretical investigations of the electronic structure of magnetic and disordered systems". 1978 P. L. Kapitza "for his basic inventions and discoveries in the area of low-temperature physics"; 1981 K. M. B. Siegbahn "for his contribution to the development of high-resolution electron spectroscopy". 1982 K. G. Wilson "for his theory for critical phenomena in connection with phase transitions". 1985 K. Von Klitzing "for the discovery of the quantized Hall effect". 3 1986 E. Ruska G. Binnig e H. Röhrer "for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope". "for their design of the scanning tunneling microscope". 1987 J. G. Bednorz e K. A. Müller "for their important breakthrough in the discovery of superconductivity in ceramic materials". 1991 P.-G. de Gennes "for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter, in particular to liquid crystals and polymers". 1994 B. N. Brockhouse C. G. Shull "for pioneering contributions to the development of neutron scattering techniques for studies of condensed matter, specifically for the development of neutron spectroscopy"; "for pioneering contributions to the development of neutron scatteringtechniques for studies of condensed matter, specifically for the development of the neutron diffraction technique". 1996 D. M. Lee, D. D. Osheroff e R. C. Richardson "for their discovery of superfluid ity in helium-3". 1998 R. B. Laughlin, H. L. Störmer e D. C. Tsui "for their discovery of a new form of quantum flu id with fractionally charged excitations." 2000 Z. I. Alferov e H. Kroemer J. S. Kilby "for developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and opto- electronics" "for his part in the invention of the integrated circuit" 2003 A. A. Abrikosov, V. L. Ginzburg e A. J. Leggett "for pioneering contributions to the theory of superconductors and superfluids" 2007 A. Fert e P. Grünberg "for the discovery of Giant Magnetoresistance" 2010 A. Geim e K. Novoselov "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene" A lista começa com o prêmio concedido a Van der Waals em 1910 pela descoberta da equação de estado de gases e líquidos em 1873. Esta prêmio ilustra bem as origens da FMC na termodinâmica do séc. XIX. No mesmo trabalho, o autor propõe uma forma de força intermolecular, a famosa “força de Van der Waals”. Esta e outras formas de coesão cristalina serão estudadas no Capítulo 2. Muitos anos depois, em 1982, o desenvolvimento de novas teorias de transições de fase novamente mereceu o Nobel, desta vez concedido a Wilson. Em 1913, Kamerlingh Onnes recebia o prêmio por seus trabalhos em física de baixas temperaturas e pela obtenção de He líquido. Estes desenvolvimentos em instrumentação permitiram a descoberta de propriedades extremamente inusitadas de sólidos a temperaturas extremamente baixas, como a supercondutividade. A descoberta acidental por Onnes de que o mercúrio tem resistividade elétrica nula a baixas temperaturas só foi explicada teoricamente muitos anos depois por Bardeen, Cooper e Schrieffer (BCS), que ganharam o prêmio Nobel em 1972. No ano seguinte, Giaver (experimental) e Josephson (teórico) foram premiados por estudos de tunelamento através de barreiras entre dois supercondutores ou um supercondutor e um metal. Mais recentemente, em 1987, Bednorz e Müller ganharam o Nobel de Física pela descoberta de uma nova classe de materiais supercondutores que apresentam este fenômeno a temperaturas muito mais altas e cujo comportamento não pode ser explicado pela teoria BCS, sendo até hoje em dia objeto de intensa pesquisa tanto teórica como experimental. Em 2003, Abrikosov e Ginzburg ganharam o Nobel por suas contribuições para a teoria dos supercondutores. O comportamento fascinante dos supercondutores será estudado no Capítulo 10. 4 Não menos fascinante é o comportamento do He líquido quando resfriado a temperaturas baixíssimas (menores que 2,17 K). Quando isto ocorre, o He líquido apresenta características extremamente exóticas: entre outras coisas pode fluir com viscosidade zero! Este propriedade da matéria é conhecida como superfluidez, e tem estreita similaridade com a supercondutividade em metais. Por seus estudos em superfluidez nos anos 30, Kapitza foi agraciado com o Prêmio Nobel muitos anos depois, em 1978. Landau recebeu o prêmio em 1962, entre outras coisas por sua descrição teórica do fenômeno. Na década de 70, Lee, Osheroff e Richardson (Nobel de 1996) descobriram que a superfluidez também ocorre no isótopo menos comum do hélio, He3, porém a temperaturas de 0,002 K! Esta grande diferença de temperaturas é basicamente um efeito da estatística quântica: átomos de He4 são bósons, enquanto os de He3 são férmions. Em 2003, mais um Prêmio Nobel para desenvolvimentos teóricos para explicar a superfluidez foi dado a A. J. Leggett. Por dois anos seguidos, 1914 e 1915, o prêmio foi concedido a pesquisadores por seus trabalhos em difração de raios-X por cristais. Esta técnica é extremamente importante e até hoje é muito utilizada no estudo da estrutura cristalina, ou seja, de como os átomos se arranjam geometricamente em um sólido. Isto será nosso objeto de estudo no Capítulo 3. Também elétrons e nêutrons são difratados por cristais, descobertas que valeram o Nobel a Davisson e Thomson em 1937 e a Shull em 1994, respectivamente. A explicação do fenômeno de difração e de outras manifestações devido à natureza periódica do arranjo dos átomos em um sólido é bastante facilitada pelo uso do conceito de rede recíproca, que será introduzido no Capítulo 4. Em 1930, Raman recebeu o Nobel pela descoberta do efeito que leva seu nome e consiste no espalhamento inelástico de luz por moléculas ou sólidos, no qual “quanta” de energia associados a vibrações cristalinas, chamados fônons, são absorvidos ou emitidos. Fônons podem também ser estudados por espectroscopia de nêutrons, que a valeu a Brockhouse o Nobel em 1994. Estudaremos vibrações cristalinas no Capítulo 7. Em 1952, Felix Bloch dividiu o prêmio com E. M. Purcell por sua descoberta da ressonância magnética nuclear (NMR) em sólidos. No entanto, a contribuição de Bloch para a FMC é muito mais extensa. Talvez sua contribuição mais conhecida esteja associada ao chamado “Teorema de Bloch”, fundamental na descrição dos estados eletrônicos em cristais. Elétrons em sólidos se comportam de maneira única, e a descrição deste comportamento será objeto de extenso estudo no Capítulo 5. Anderson e Mott receberam o Nobel de Física em 1977 por seus estudos das propriedades dos estados eletrônicos em certos tipos de sólidos. O Capítulo 6 é dedicado à dinâmica de elétrons em sólidos, ou seja, o estudo da resposta eletrônica à aplicação de campos elétricos e/ou magnéticos externos. A temperaturas baixas e altos campos magnéticos, efeitos quânticos são fundamentais e a dinâmica dos elétrons pode diferir bastante de uma dinâmica semi-clássica. Landau também foi citado por suas descobertas do comportamento de elétrons nestas situações extremas quando da entrega de seu Prêmio Nobel em 1962. Em 1956, Shockley, Bardeen (o mesmo da Teoria BCS) e Brattain foram agraciados pela descoberta do transistor, que transformou por completo a tecnologia de equipamentos elétricos (rádios, TV’s, computadores, etc.). Esta descoberta marca o início da revolução tecnológica (ainda em andamento!) causada pelos materiais semicondutores, que serão estudados no Capítulo 8. A relação estreita entre pesquisa 5 básica e pesquisa aplicada é uma das características desta área, também exemplificada no Prêmio Nobel de 1973, dado a Esaki tanto pela demonstração do efeito túnel em semicondutores como pela fabricação de um dispositivo eletrônico que funciona a partir deste efeito, o diodo-túnel. Em 2000, mais uma vez a Academia Real de Ciências da Suécia concedeu o Prêmio Nobel para desenvolvimentos em semicondutores que possibilitaram grandes avanços tecnológicos, principalmente na tecnologia de informação: Alferov e Kroemer ganharam metade do Prêmio pela invenção de componentes eletrônicos e opto-eletrônicos baseados em heteroestruturas semicondutoras e Kolby recebeu a outra metade pela invenção do circuito integrado (chip). Hoje em dia, materiais semicondutores são produzidos com um controle de pureza e perfeição estrutural tão grande que permite que fenômenos inteiramente novos sejam descobertos. Por exemplo, elétrons podem ser confinados em duas dimensões, o que altera drasticamente suas propriedades dinâmicas. A baixas temperaturas e altos campos magnéticos, isto se manifesta, por exemplo, no “efeito Hall quântico inteiro”, que deu a Von Klitzing o Prêmio Nobel em 1985. A descoberta por Störmer e Tsui de um efeito similar (mas com origem física distinta!), o efeito Hall quântico “fracionário”, e sua posterior explicação teórica por Laughlin, valeu a estes pesquisadores o Nobelde 1998. Néel (1970) e Van Vleck (1977) receberam o Nobel por seus estudos de certas propriedades magnéticas dos materiais. O estudo da resposta de sólidos a campos magnéticos externos, ou mesmo o magnetismo espontâneo de diversos materiais é também uma área muito rica de pesquisa atual e com imensas possibilidades de aplicação. Estudaremos estes fenômenos no Capítulo 9. Os desenvolvimentos mais recentes da Física da Matéria Condensada estão caminhando na direção de explorar as propriedades de sistemas com dimensões cada vez mais reduzidas, na escala nanométrica. Esta é a interface da FMC com a nanotecnologia, da qual falaremos no Capítulo 11. Os desenvolvimentos em microscopia de tunelamento, que deram o Prêmio Nobel para para Binnig e Röhrer em 1986, podem ser vistos hoje em dia como um dos desenvolvimentos iniciais e mais importantes da nanotecnologia. Em 2007, Fert e Grünberg receberam o Prêmio Nobel pela descoberta da magnetoresistência gigante, um fenômeno que utiliza as propriedades magnéticas de nanoestruturas para o uso em armazenamento magnético de informação em discos rígidos de computadores, por exemplo. Em 2010, a descoberta e a pesquisa em grafeno, uma folha bidimensional de átomos de carbono, rendeu a Geim e Novoselov o Prêmio Nobel mais recente para a nanotecnologia, uma área que continua em franco desenvolvimento nos dias de hoje. 1.3– A Física da Matéria Condensada no Mundo A Física da Matéria Condensada consiste no maior ramo da Física, tanto em número de pesquisadores como produção científica. Esta condição se acentuou principalmente nas últimas décadas. Um indicativo deste crescimento pode ser obtido analisando-se a evolução no tempo da quantidade de artigos publicados em um dos mais importantes periódicos de física, o Physical Review. Antes englobando todas as áreas da física, a partir de 1970 o Physical Review se subdividiu em A, B, C, D e E (este último a partir de 1993), de acordo com áreas temáticas. Na F igura 1.1, mostra-se a evolução do número de artigos em cada uma destas revistas em função do tempo. Note o crescimento 6 acentuado de artigos publicados no Physical Review B (Solid State até 1978, depois Condensed Matter) nas últimas décadas, indicando um grande aumento da comunidade de cientistas na área. Este relativo gigantismo da FMC deve-se a uma gama de fatores, mas poderíamos citar três como os mais preponderantes: primeiro, como discutido antes, a imensa variedade de fenômenos, materiais e métodos da FMC; segundo, por ser uma área onde física básica e física aplicada convivem intimamente, a FMC recebe, no mundo todo, uma grande fração dos investimentos em ciência, tanto governamentais como também de empresas como IBM, Xerox, Lucent (antes AT&T), Siemens, NEC, 3M, Toshiba, Sony, Phillips, etc.; terceiro, grande parte dos métodos experimentais em FMC são relativamente baratos, e portanto acessíveis a um grande número de pesquisadores no mundo todo. Figura 1.1 – Número de art igos publicados por período de 5 anos em PRA (Atomic, Molecular and Optical Physics), PRB (Condensed Matter and Materials Physics), PRC (Nuclear Physics), PRD (Particles, Fields, Gravitation and Cosmology) e PRE (Statistical, Nonlinear and Soft Matter Physics). A Fig. 1.2 mostra composição da pesquisa em FMC em suas sub-áreas, a partir dos artigos publicados nas diversas sub-áreas nos últimos volumes do Phys. Rev. B de 1997 e 2011. Em 1997, destacam-se as três áreas que serão estudadas na segunda parte do curso: semicondutores, magnetismo e supercondutividade. Já em 2011, nota-se claramente o crescimento da importância da nanotecnologia na FMC. Todos os anos, a comunidade internacional de FMC se reúne em diversos encontros científicos e workshops. O maior deles é o organizado pela American Physical Society no mês de março (por isso conhecido como APS March Meeting), quando alguns milhares de cientistas se reúnem para compartilhar os novos desenvolvimentos da área. 7 Figura 1.2 - Distribuição percentual entre as diversas sub-áreas da FMC de artigos publicados nos últimos volumes do Phys. Rev. B de 1997 (acima) e 2011 (abaixo). Sem II: Surfaces, Interfaces, Microstructures and Related Topics of Semiconductors; Mag: Magnetism; Sup: Superfluidity and Superconductivity; Sur/Nano: Surface Physics, Nanoscale Physics, Low-Dimensional Systems and Related Topics; Ele: Electronic structure: Wide Band, Narrow Band, and Strongly Correlated Systems; SemI: Bulk; Str: Structure, Structural Phase Transitions, Mechanical Properties, Defects, etc.; Dyn: Dynamics, Dynamical Systems, Lattice Effects, Quantum Solids; Dis: Inhomogeneous, Disordered and Partially Ordered Systems. 1.3– A Física da Matéria Condensada no Brasil 8 A FMC iniciou-se no Brasil em 1933, com a chegada do físico alemão Benhard Gross. Teve um começo lento: em 1960 havia menos de meia dúzia de físicos do estado sólido no país. A partir os anos 70, no entanto, iniciou-se um crescimento vigoroso que perdura até os dias de hoje. Atualmente, a FMC ocupa uma posição de destaque no Brasil, como está ilustrado no gráfico da Figura 1.3. Este gráfico mostra o número de físicos com bolsa de pesquisa do CNPq (que inclui a maioria dos físicos com doutorado que participam ativamente de atividades de pesquisa) em cada sub-área da física e astronomia. A comunidade brasileira de FMC é formada por aproximadamente 60% de experimentais e 40% de teóricos. A predominância de experimentais indica um razoável grau de desenvolvimento, porém a uma razão ainda menor que nos países desenvolvidos. O número de publicações brasileiras em periódicos internacionais de FMC cresceu bastante nos últimos anos, como indica a Fig. 1.4 (dados do Phys. Rev. B), indicando um crescimento bruto da comunidade de FMC no Brasil. Nota-se uma estabilização desses números na última década.Além deste aumento absoluto, há também, mais lentamente, um aumento relativo aos demais países (Fig. 1.5), indicando um aumento da importância da FMC brasileira no contexto internacional. Em 2012 o país ocupava a 19a posição entre os que mais publicaram no Physical Review B, como mostra a Tabela 1.2. Comparativamente, este resultado é inferior à posição brasileira entre as nações em termos de PIB, por exemplo. Uma das deficiências em relação aos países desenvolvidos é que o investimento das empresas privadas em ciência ainda é reduzido no Brasil. Figura 1.3 – Número de pesquisadores por área da física com bolsa de pesquisa do CNPq em 1996. Fonte: SBF. 9 Tabela 1.2 – Número de artigos publicados por país no Physical Review B em 2012. Fonte: Institute for Scientific Informat ion. 1. EUA 2062 10. Itália 300 19. Brasil 116 2. A lemanha 1254 11. Canadá 231 20. Bélgica 100 3. Japão 715 12. Suécia 177 21. Austrália 95 4. França 682 13. Holanda 144 22. Ucrânia 86 5. China 496 14. Po lônia 137 23. Dinamarca 76 6. Reino Unido 475 15. Índia 131 24. Rep.Tcheca 64 7. Rússia 354 16. Coréia do Sul 128 Hungria 52 8. Espanha 341 17. Áustria 128 Argentina 51 9. Suíça 306 18. Israel 118 México 31 A FMC brasileira também realiza um encontro anual, o Encontro Nacional de Física da Matéria Condensada, patrocinado pela Sociedade Brasileira de Física, com a presença de centenas de pesquisadores. Figura 1.4 – Número de artigos por ano com pelo menos um endereço brasileiro no Physical Review B. Fonte: Institute for Scientific Information. 10 Figura 1.5 – Participação percentual dos artigos brasileiros no Physical Review B. Fonte: Institutefor Scientific Information. Referências: - Uma boa referência aos trabalhos que mereceram o Prêmio Nobel de Física está contida nos diversos volumes da série Nobel Lectures, Physics, 1901-1970, (Elsevier, Amsterdam). - Physical Review B. - Sobre a história da física no Brasil, e sua situação em 1987, leia A Física no Brasil, Sociedade Brasileira de Física, 1987. - "Física 2011 - Estado da Arte, Desafios e Perspectivas para os Próximos Cinco Anos", Sociedade Brasileira de Física, 2011. Disponível online: http://www.sbfisica.org.br/v1/arquivos_diversos/publicacoes/fisica- 2011.pdf - P. W. Anderson, "More Is Different", Science 177, 393 (1972). - "Condensed Matter Physics: The Goldilocks of Science" , Physics Colloquium, U. C.Berkeley, 11/03/2013 (disponível em www.physics.berkeley.edu).
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