Alessio Di Giorgio


Fisica dello stato solido

La fisica dello stato solido è una parte della fisica che ha per oggetto lo studio delle proprietà delle sostanze solide, cristalline o amorfe (ad esempio vetri e ceramiche), e che si occupa di indagare sulle caratteristiche di particolari sostanze organiche e vari polimeri.

CENNI STORICI
Nata nel XX secolo, la fisica dello stato solido si avvalse, a partire dal 1910, degli esperimenti di diffrazione di raggi X per studiare la struttura dei cristalli, ottenendo risultati rivoluzionari, quali la scoperta dei semiconduttori, intorno al 1920, e lo sviluppo della teoria microscopica della superconduttività. Da queste ricerche sono nate importanti applicazioni, ad esempio il transistor, le fibre ottiche e il laser a semiconduttore.Oggi la fisica dello stato solido è in rapido sviluppo ed in grado di caratterizzare la tecnologia del XXI secolo, con l'introduzione di nuovi materiali scoperti e realizzati grazie agli studi effettuati.

LA CONDUZIONE ELETTRICA NEI SOLIDI
Una delle più importanti conquiste della fisica dello stato solido è la teoria delle "bande" di energia, che permette di spiegare le proprietà conduttive dei solidi facendo riferimento a questi particolari livelli energetici. Migliorando la comprensione del meccanismo della conduzione, sono stati scoperti i semiconduttori, materiali dalle proprietà importanti che hanno rivoluzionato il mondo della tecnologia permettendo la realizzazione dei circuiti integrati ed in seguito dei microprocessori e dei computer.

Il modello a bande
Un elettrone legato al nucleo di un atomo isolato può occupare solo un insieme discreto di livelli di energia, mentre in un solido cristallino, costituito da moltissimi atomi identici disposti in una struttura reticolare regolare, i livelli energetici sono organizzati in bande "permesse" di energia, separate da bande "proibite". Poiché la struttura delle bande è una proprietà del cristallo nel suo insieme, ogni atomo può contribuire con un elettrone esterno (o di valenza) a riempire le bande permesse. In accordo col principio di esclusione enunciato da Wolfgang Pauli, ciascun livello di energia può essere occupato da una coppia di elettroni, che possiedono i due possibili valori dello spin (spin su, o positivo, e spin giù, o negativo). In prossimità dello zero assoluto, tutti i livelli di energia più bassa del cristallo sono completamente occupati, ma quando la temperatura aumenta, gli elettroni acquistano energia e possono riempire i livelli di energia più alta.
Il cosiddetto "livello di Fermi" rappresenta una specie di "linea di demarcazione" al di sotto della quale i livelli di energia tendono a essere tutti occupati, mentre al di sopra di essa quasi tutti i livelli sono vuoti.

Dagli isolanti ai semiconduttori
La posizione del livello di Fermi all’interno della struttura a bande permette di definire le proprietà conduttrici o isolanti dei vari materiali. Se il livello di Fermi si trova in mezzo a una banda permessa, il solido è un conduttore: in questo caso anche piccole energie possono determinare transizioni elettroniche tra i livelli energetici, e questa mobilità di particelle cariche si traduce nelle proprietà che caratterizzano i materiali conduttori, ossia la capacità di condurre elettricità e calore e di assorbire la radiazione luminosa. Esempi tipici di sostanze conduttrici si trovano in genere tra i metalli. Se il livello di Fermi si trova in cima a una banda permessa e vi è un salto di energia (gap) relativamente grande tra questa e la successiva banda permessa, il solido è un isolante, come il diamante o il quarzo. In questo caso, solo grandi energie possono eccitare gli elettroni, provocando il salto della banda proibita; di conseguenza i materiali isolanti sono cattivi conduttori di calore e di elettricità, non assorbono la luce e sono spesso trasparenti. Infine, se il livello di Fermi è posto alla sommità di una banda permessa, ma la gap che separa tale banda dalla successiva è piuttosto stretta, non sarà difficile provocare, con opportune manipolazioni del materiale, il salto energetico degli elettroni nella banda di conduzione: in questo caso si parla di un semiconduttore che si comporta, ad esempio, come il silicio.

UN RISULTATO RECENTE: I MATERIALI SUPERCONDUTTORI
Un campo attivo di ricerca della fisica dello stato solido è lo studio dei superconduttori, cioè di quei materiali che a temperature estremamente basse, di pochi gradi al di sopra dello zero assoluto, manifestano improvvise variazioni delle proprietà elettriche e magnetiche, associate alla scomparsa della resistenza elettrica. In assenza di resistenza, una corrente lanciata in un anello superconduttore circola indefinitamente, senza richiedere alimentazione e senza dissipazione di energia.In pratica sono stati realizzati anelli superconduttori capaci di sostenere correnti elettriche per mesi, senza un'apprezzabile diminuzione di intensità.

Superconduttori ad alta temperatura
Per la maggior parte del XX secolo i fenomeni di superconduzione furono osservati solo alla temperatura dell'elio liquido (-268,9°C). Il raggiungimento e il mantenimento di simili temperature ha costi rilevanti, tali da rendere svantaggioso dal punto di vista economico l'utilizzo di materiali superconduttori. Negli anni Ottanta la scoperta di una classe di materiali ceramici che diventano superconduttori a temperature notevolmente maggiori di quella di liquefazione dell'aria circa -200°C) ha aperto nuove possibilità di applicazione della superconduttività con la realizzazione di dispositivi elettronici ad alta velocità e di più efficienti linee di trasporto dell'energia elettrica.