Festkörperphysik

Die Festkörperphysik befasst sich mit der Physik von Materie im festen Aggregatzustand. Von besonderer Bedeutung sind dabei kristalline Festkörper, das sind solche, die einen translationssymmetrischen (periodischen) Aufbau aufweisen, da diese Translationssymmetrie die physikalische Behandlung vieler Phänomene drastisch vereinfacht oder erst ermöglicht. Daher erfolgt die Anwendung des Modells des idealen Kristallgitters häufig auch dann, wenn die Bedingung der Periodizität nur sehr eingeschränkt, zum Beispiel nur sehr lokal erfüllt ist. Die Abweichung von der strengen Periodizität wird dann durch Korrekturen berücksichtigt.

Supraleiter gehören zum Forschungsgebiet der Festkörperphysik.

Erscheinungsformen von Festkörpern

Kristalline Festkörper

Vier Beispiele für kristalline Festkörper: Coltan, Kassiterit, Wolframit und Gold

Die Physik kristalliner Festkörper (Kristallphysik) befasst sich mit Festkörpern, die einen periodischen Aufbau aufweisen.

• Die Kristallstruktur repräsentiert die statische periodische Ordnung im kristallinen Festkörper.
• Die Gitterschwingungen beschreiben die Dynamik in der kristallinen Ordnung. Ihre Beschreibung verwendet häufig das Modell der Quasiteilchen. Bei Gitteranregungen werden diese Phononen genannt.
• Die auf die Elektronenhülle der regelmäßig angeordneten Atome zurückgehenden Eigenschaften führen zu Bändermodell und Bandstruktur, deren Parameter diverse makroskopische Eigenschaften (Optik usw.) berechenbar machen.
• Die magnetische Ordnung repräsentiert die statische Ordnung der magnetischen Momente im Festkörper (Diamagnetismus, Paramagnetismus, Ferromagnetismus, Antiferromagnetismus, Spindichtewellen, Magnetooptik etc.).
• Die magnetischen Anregungen beschreiben die Dynamik der magnetischen Ordnung. Die zugehörigen Quasiteilchen heißen Magnonen.

Teilkristalline Substanz

Eine teilkristalline Substanz, die zwar eine gewisse Nahordnung im Bereich von 4,5 bis 6 nm aufweist, im Gegensatz zu einem Kristall aber keine ausgeprägte Fernordnung, ist ein Parakristall.

Amorphe Festkörper

Metallisches Glas ist ein amorpher Festkörper.

Die Physik amorpher Festkörper befasst sich mit Festkörpern, die keine Fernordnung aufweisen.

• Glas
• Unterkühlte Schmelze

Grenzflächenphysik

Die Grenzflächenphysik befasst sich mit den Besonderheiten an Grenzflächen, die Oberflächenphysik ist ein Spezialfall der Grenzflächenphysik bei Grenzflächen zum Vakuum. Die physikalischen Eigenschaften der wenigen Atomlagen nahe der Grenzfläche unterscheiden sich aufgrund der nicht-periodischen Randbedingungen von der Physik im Inneren, das auch Volumen-Festkörper genannt wird.^[1]

Ordnungszustände in Festkörpern

Bei der Beschreibung der Regelmäßigkeit im Aufbau des Festkörpers betrachtet man einerseits die Nahordnung im Bereich weniger Nanometer und andererseits die Fernordnung, die sich auf weit größere Entfernungen bezieht.

Themengebiete moderner Forschung

• Spin-Glas
• Quasikristalle
• Hochtemperatursupraleiter
• „Heavy-Fermion“-Systeme^[2]

Literatur

• Rudolf Gross, Achim Marx: Festkörperphysik. 2. Auflage. De Gruyter, Berlin 2014, ISBN 978-3-11-035869-8. 

• Charles Kittel: Einführung in die Festkörperphysik. 15. Auflage. Oldenburg, München 2013, ISBN 978-3-486-59755-4. 

• Neil Ashcroft, David Mermin: Festkörperphysik. 3. Auflage. Oldenburg, München 2007, ISBN 978-3-486-58273-4. 

• Gerd Czycholl: Theoretische Festkörperphysik. Von den klassischen Modellen zu modernen Forschungsthemen. 3. Auflage. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-74790-1. 

• Joseph Callaway: Quantum Theory of Solid State. 1. Auflage. Academic Press, New York und London, ISBN 978-0-12-155201-5. 

• Giuseppe Grosso: Solid State Physics. 2. Auflage. Elsevier Ltd, Oxford, ISBN 978-0-12-385030-0. 

Einzelnachweise