Festkörperphysik

Festkörperphysik ist der Zweig der Physik, der die physikalischen Eigenschaften von Festkörpern untersucht, insbesondere das Verhalten von Elektronen in periodischen Kristallgittern, die Wechselwirkung zwischen Elektronen, Gitterschwingungen und Defekten sowie quantenmechanische Effekte in kondensierter Materie. Die Bandtheorie, Blochs Theorem und die Konzeptualisierung von Elektronen in Bändern bilden zentrale theoretische Werkzeuge. Die Festkörperphysik verbindet Grundlagenfragen mit technischen Anwendungen in Elektronik, Optik und Energiesystemen.

Zentrale Konzepte sind Kristallstruktur und Gitterperiodizität, Bandstruktur, Elektronen- und Lochträgerzustände, Phononen als Gitterschwingungen, Elektron-Phonon-Wechselwirkungen, magnetische Phänomene, Supraleitung sowie die dielektrischen und optischen Eigenschaften von Materialien. Materialverhalten wird oft durch verschiedene Zustände bestimmt: Metalle mit hochleitfähigen Elektronen, Halbleiter mit gezielt steuerbaren Bandlücken, Isolatoren sowie stark korrelierte oder niedrigdimensionale Systeme.

Methoden: Festkörperphysik verbindet theoretische Modelle wie Many-Body-Theorie oder Dichtefunktionaltheorie mit Experimenten wie Röntgen- und Neutronenstreuung, Spektroskopie, Transportmessungen, Elektronenmikroskopie und Rastertunnelmikroskopie. Typische Materialklassen sind Metalle, Halbleiter, keramische Isolatoren, magnetische Materialien, Kohlenstoffnanostrukturen und zweidimensionale Systeme.

Anwendungen reichen von Transistoren, LEDs und Solarzellen über Sensoren und Speichertechnologien bis zu neueren Quantenmaterialien und Spintronik. Aktuelle Forschungsthemen umfassen Topologische Isolatoren, Graphen und andere zweidimensionale Materialien, stark korrelierte Elektronensysteme, Hochtemperatursupraleiter und Quantencomputing-Komponenten.