Ingeniero Quìmico

E STADO S ÓLIDO
Primer Módulo: Introducción Curso de Pregrado en Física
Curso CNF-422

Prof.a titular Doris Giratá, Ph.D.

http://aprendeenlinea.udea.edu.co/lms/moodle/

Instituto de Física Facultad de Ciencias Exactas y Naturales UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

Medellín, Colombia Agosto de 2010

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Mi experiencia como docente del curso de Estado Sólido, desde 1978 en laUniversidad de Antioquia, me alentó a plasmar en este libro la metodología que surgió al preparar y dictar mis clases, del estudio de la literatura académica en este tema y de las investigaciones que realicé en materiales superiónicos, superconductores, termoeléctricos y óxidos de hierro y manganeso. Este texto está dirigido a estudiantes de los programas de pregrado de Física y de postgrado de Ingenieríay Química e incluso a profesores interesados en esta área de la Física. Decidí enfrentar el gran reto de plasmar en un libro didáctico mi visión sobre la forma en que los estudiantes deben conocer lo esencial de la Física del Estado Sólido, concebida como una disciplina que entrega las bases para entender los mecanismos responsables de las propiedades físicas como las termodinámicas, detransporte, ópticas, térmicas y magnéticas de los materiales; así como los fenómenos de la superconductividad, el magnetismo y la ferroelectricidad; y su relación con las aplicaciones tecnológicas. Para facilitar la tarea de estudiar los sólidos, vistos como sistemas que contienen del orden de 1023 átomos/cm3 , necesitamos utilizar la Mecánica Cuántica (teoría por excelencia para conocer el comportamientode los átomos y moléculas) y las propiedades de simetría (traslación y puntuales) de los sólidos cristalinos o cristales. Los estados energéticos de un cristal aislado los hallamos mediante la aproximación de los estados monoelectrónicos y para el movimiento de los átomos con el método de los modos normales de vibración, desde la teoría clásica de pequeñas oscilaciones hasta la RepresentaciónNúmero de Partículas. Esto nos lleva a que el sistema real o sea el cristal lo podamos reemplazar por otro equivalente o ficticio conformado por dos gases de cuasipartículas: uno de electrones, llamados electrones de Bloch y otro de los modos vibracionales, conocidos como fonones. Para que los estudiantes logren responder algunas de las preguntas acerca del porqué de ciertas propiedades y fenómenos delos materiales, deben comprender algunas de las ideas abstractas fundamentales del espacio k, de las cuasipartículas y de las excitaciones de baja energía, como por ejemplo los electrones de Bloch y los fonones, los plasmones, polarones, polaritones, excitones, entre otros. La ciencia y la tecnología han dedicado esfuerzos muy importantes al estudio y utilización de los materiales. En las últimasdécadas, la ciencia y la tecnología han evolucionado a un ritmo vertiginoso y cada vez más tienen repercusiones sociales y culturales muy importantes, tal

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que muchas de nuestras actividades cotidianas están vinculadas con algún resultado de esta inquietud por entender la naturaleza. En este sentido, la Física del Estado Sólido ha contribuido en la explicación del comportamientode materiales con aplicaciones tecnológicas, fundamentada en teorías y técnicas de medición con el fin de comprender la correlación entre las propiedades físicas macroscópicas y las características microscópicas de los materiales. En este contexto, conocer la Física del Estado Sólido permite a los estudiantes entender las propiedades termodinámicas, de transporte, ópticas, térmicas, magnéticas,etc., que pueden ser utilizados en la fabricación de dispositivos electrónicos, magnéticos, termoeléctricos, entre otros. En particular, el estudiante debe apropiarse de ideas abstractas fundamentales, como el espacio k, cuasipartículas y excitaciones de baja energía, como por ejemplo los electrones de Bloch y los fonones entre otros, con el fin de entender esos fenómenos y propiedades físicas....