Solidstatefysica

Solidstatefysica is een tak van de natuurkunde die de eigenschappen van geconcentreerde materie onderzoekt, met name vaste stoffen zoals metalen, halfgeleiders en keramica. Het richt zich op de collectieve werking van grote aantallen atomen en op de elektromagnetische interacties die leiden tot elektronentransport, magnetisme en optische verschijningen. Een centraal concept is kristallijne orde en de bijbehorende energiebandstructuur van elektronen.

De kernbegrippen omvatten kristalroosters en bandentheorie. Door de bandstructuur ontstaan energiebanden en bandkloofjes die bepalen of een materiaal metalen, halfgeleidend of isolatorisch gedrag vertoont. Elektronentransport, elektrische geleidbaarheid en dopering spelen een cruciale rol, net als elektron-phonon interacties die mobiliteit en optische fenomenen beïnvloeden.

Excitaties in vaste stoffen zijn onder meer phononen (lattice-vibraties), magnonen (in magnetische systemen) en plasmons. Deze excitaties bepalen optische en thermische eigenschappen. Materiaalgroepen zoals metalen, isolatoren, halfgeleiders, keramica en twee-dimensionale materialen laten een breed scala aan verschijnselen zien, waaronder supergeleiding, magnetisme en topologische fasen.

Onderzoek in solidstatefysica combineert experimentele methoden zoals diffractie (röntgen- en neutronenstraling), spectroscopie, ARPES en scanning-tunneling-microscopie (STM) met transportmetingen. Kwantummechanische beschouwingen en computationele methoden zoals densiteitsfunctional theorie (DFT), tight-binding en k·p-benaderingen worden vaak in combinatie met numerieke simulaties toegepast.

Historisch ontstond solidstatefysica uit bijdragen van pioniers als Bloch, Sommerfeld en Debye in de vroege twintigste eeuw, met latere mijlpalen zoals de theorie van BCS-theorie voor supergeleiding en ontwikkelingen in halfgeleiders en nantechnologie. Tegenwoordig ligt de focus op quantum materials en materiaalontwerp met specifieke elektronische, magnetische en optische eigenschappen.