FISICA DE LA MATERIA CONDENSADA DESDE EL PUNTO DE VISTA QUIMICO

Estudio de los líquidos y los sólidos, incluidos los sólidos cristalinos y los materiales de estructura irregular como vidrios, cerámicas, materiales orgánicos, polímeros o materiales compuestos. Algunos ejemplos de la investigación en física de la materia condensada, una disciplina que no cobró importancia hasta el siglo XX, son el empleo de difracción de rayos X para estudiar los cristales a partir de 1910 aproximadamente, el descubrimiento de los semiconductores en la década de 1920 o la teoría microscópica de la superconductividad en la década de 1950. Estas investigaciones condujeron al desarrollo de dispositivos muy importantes, como los transistores, la fibra óptica o los láseres de semiconductores. Probablemente, la tecnología del siglo XXI se caracterice por el uso de nuevos materiales con propiedades diferentes, descubiertos por la investigación en física de la materia condensada.

Uno de los hallazgos más importantes de la física de la materia condensada es la teoría de bandas de energía en los sólidos. Un electrón ligado a un átomo aislado sólo puede encontrarse en un conjunto determinado de niveles atómicos de energía. Sin embargo, en un sólido cristalino, donde hay muchos átomos idénticos con una disposición regular, estos niveles de energía se convierten en bandas de energías permitidas separadas por bandas de energías prohibidas. Como la estructura de bandas es una propiedad general del cristal, cada átomo puede aportar un electrón exterior (de valencia) para llenar las bandas permitidas. Según el principio de exclusión formulado por Wolfgang Pauli, los electrones llenan cada nivel de energía de dos en dos; uno de los electrones tiene espín hacia arriba y el otro hacia abajo. En el cero absoluto, todos los niveles de energía inferiores del cristal están llenos. A temperaturas mayores, los electrones adquieren más energía, y algunos se desplazan a niveles de energía más altos.

El nivel de energía conocido como nivel de Fermi que constituye la línea divisoria a partir de la cual los niveles de energía tienden a estar vacíos, y por debajo de la cual tienden a estar llenos ayuda a definir las propiedades de aislamiento y conducción de los materiales.
Si el nivel de Fermi se encuentra dentro de una banda permitida, el sólido es un conductor. Así ocurre, por ejemplo, en los metales como la plata o el cobre. En ese caso, incluso una energía pequeña puede hacer que los electrones del nivel ocupado más alto pasen al nivel no ocupado más bajo. Esta movilidad de los electrones es el origen de las cualidades que definen un conductor, como su capacidad de conducir la electricidad y el calor, y su capacidad de absorber luz. Si el nivel de Fermi se encuentra en la parte superior de una banda permitida y hay una distancia relativamente grande hasta la siguiente banda permitida, el sólido es un aislante, como el diamante o el cuarzo. Como son necesarias energías muy altas para excitar sus electrones, los aislantes conducen mal el calor y la electricidad, y no absorben luz. Por último, si el nivel de Fermi está cerca de la parte superior de una banda permitida pero la zona de energías prohibidas que hay por encima es estrecha, el sólido es un semiconductor, como el silicio.

Un campo muy activo en la física de la materia condensada es el estudio de los superconductores (véase Superconductividad). La resistencia eléctrica de los metales suele disminuir de forma gradual a medida que baja la temperatura; no obstante, al llegar a temperaturas muy bajas, de algunos grados por encima del cero absoluto, muchos metales pierden abruptamente toda resistencia eléctrica. Cuando desaparece la resistencia eléctrica de un material, se dice que es un superconductor. Una corriente que fluye en un anillo superconductor perdura indefinidamente. En estos anillos se ha observado la circulación de corrientes durante meses sin reducción aparente de su intensidad.

Durante la mayor parte del siglo XX, los fenómenos de superconducción sólo podían observarse a las bajísimas temperaturas del helio líquido (por debajo de -268,9 °C). No obstante, el descubrimiento en la década de 1980 de un tipo de materiales cerámicos de óxido de cobre que se vuelven superconductores a temperaturas alcanzables con aire líquido, mucho más elevadas (unos -200 °C), ha abierto nuevas posibilidades para la aplicación de materiales superconductores, como dispositivos electrónicos ultrarrápidos o líneas de transmisión de energía eléctrica más eficientes.