Từ vật lý cổ điển

Một trong những nghiên cứu đầu tiên về trạng thái ngưng tụ của vật chất thực hiện bởi nhà hóa học người Anh Humphry Davy, khi ông khám phá ra trong 40 nguyên tố hóa học được biết thời đó có 26 nguyên tố có tính kim loại như ánh kim, độ dẻo cũng như tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao.[9] Điều này cho thấy các nguyên tử trong lý thuyết nguyên tử của Dalton không phải là không thể chia được như Dalton đề cập, mà thay vào đó chúng có cấu trúc bên trong. Davy còn cho rằng các nguyên tố từng được coi là chất khí, như nitơ và hiđrô có thể hóa lỏng dưới những điều kiện phù hợp và có thể xuất hiện tính kim loại.[10][notes 1]

Năm 1823, Michael Faraday, lúc đó là trợ lý trong phòng thí nghiệm của Davy, đã hóa lỏng thành công clo cũng như mọi nguyên tố khí được biết thời đó, ngoại trừ nitơ, hiđrô và ôxy.[9] Ngay sau đó vào năm 1869, nhà hóa học người Ireland Thomas Andrews nghiên cứu sự chuyển pha từ chất lỏng thành chất khi và ông đưa ra thuật ngữ điểm giới hạn nhằm miêu tả điều kiện khi mà chất khí và chất lỏng không thể phân biệt được thành những pha rõ ràng,[12] và nhà vật lý người Hà Lan Johannes van der Waals đã đưa ra một khuôn khổ lý thuyết cho phép tiên đoán hành xử của vật chất tại điểm giới hạn dựa trên những đo đạc tại nhiệt độ cao hơn giới hạn này.[13] Năm 1908, James Dewar và H. Kamerlingh Onnes đã hóa lỏng thành công hiđrô và khí mới được phát hiện là heli.[9]

Paul Drude đề xuất mô hình lý thuyết đầu tiên cho electron theo miêu tả cổ điển chuyển động trong chất rắn kim loại.[4] Mô hình của Drude miêu tả các tính chất của kim loại theo ngôn ngữ của một khí electron tự do, và là mô hình vi mô đầu tiên cố gắng giải thích các quan sát thực nghiệm như định luật Wiedemann–Franz.[14][15] Tuy vậy, mặc dù mô hình electron tự do của Drude có những thành công nhất định, nó đã gặp phải một vấn đề lớn đó là lý thuyết không thể giải thích chính xác sự đóng góp của electron vào nhiệt dung của kim loại, cũng như sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở trong điều kiện nhiệt độ thấp.[16]

Năm 1911, chỉ ba năm sau khi heli được hóa lỏng, Onnes đang làm việc tại Đại học Leiden khám phá ra tính siêu dẫn của thủy ngân, khi ông quan sát điện trở của nguyên tố này đột ngột biến mất khi nhiệt độ của thủy ngân giảm xuống dưới một giá trị xác định.[17] Hiện tượng này hoàn toàn gây ra sự ngạc nhiên đối với cộng đồng vật lý thời đó, và nó vẫn chưa được giải thích trong vài thập kỷ về sau.[18] Albert Einstein, năm 1922, nói về những lý thuyết đương thời về tính siêu dẫn là "khi chúng ta chưa có một lý thuyết cơ học lượng tử về những hệ phức hợp thì còn xa mới có một lý thuyết giải thích cho những ý tưởng mơ hồ này".[19]

Đến cơ học lượng tử

Mô hình cổ điển của Drude bị phê bình bởi Felix Bloch, Arnold Sommerfeld, và độc lập bởi Wolfgang Pauli, khi họ dùng cơ học lượng tử nhằm miêu tả chuyển động của electron lượng tử trong dàn tinh thể nguyên tử. Đặc biệt, lý thuyết của Sommerfeld tính đến thống kê Fermi–Dirac mà các electron tuân theo và giải thích một cách tốt hơn tính dẫn điện và nhiệt dung của kim loại.[16] Max von Laue và Paul Knipping nghiên cứu cấu trúc của tinh thể chất rắn khi họ thực hiện quan sát hiệu ứng nhiễu xạ tia X trên tinh thể, và kết luận rằng các tinh thể có cấu trúc tuần hoàn từ các dàn nguyên tử.[20] Mô hình toán học của cấu trúc tinh thể được Auguste Bravais, Yevgraf Fyodorov và những người khác phát triển bằng cách phân loại tinh thể theo nhóm đối xứng tương ứng, và bảng cấu trúc tinh thể là cơ sở cho các tập Bảng phân loại Quốc tế của Tinh thể học, xuất bản đầu tiên vào năm 1935.[21] Tính toán cấu trúc dải electron lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1930 nhằm tiên đoán các tính chất của vật liệu mới, và năm 1947 John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley sáng chế ra chất bán dẫn đầu tiên-cơ sở của transistor, khai sinh ra cuộc cách mạng điện tử học.[4]

Năm 1879, Edwin Herbert Hall đang giảng dạy tại Đại học Johns Hopkins phát hiện ra sự xuất hiện của một hiệu điện thế trong bản kim loại đang có dòng điện chạy qua khi áp dụng một từ trường vuông góc với dòng điện này.[22] Hiện tượng này xuất hiện từ bản chất của các hạt mang dòng điện trong vật dẫn được gọi là hiệu ứng Hall, nhưng nó đã không được giải thích đúng đắn tại thời đó do electron chỉ được phát hiện bằng thực nghiệm vào 18 năm sau đó. Sau khi cơ học lượng tử hình thành, Lev Landau vào năm 1930 đã tiên đoán sự lượng tử hóa của sự dẫn điện Hall đối với các electron giới hạn trong hai chiều không gian.[23] và kết quả này được miêu tả cụ thể bởi Ando, Matsumoto, và Uemura năm 1975.[24]

Vật liệu từ đã được biết đến từ thời cổ đại.[25] Tuy vậy các nghiên cứu hiện đại về từ học chỉ bắt đầu từ những phát triển của điện động lực học bởi Faraday, Maxwell và những người khác trong thế kỷ 19, bao gồm việc phân loại vật liệu từ thành sắt từ, thuận từ và nghịch từ dựa trên sự đáp ứng của vật liệu khi bị từ hóa.[26] Pierre Curie nghiên cứu sự phụ thuộc của từ hóa vào nhiệt độ và khám phá ra điểm Curie của sự chuyển pha trong vật liệu sắt từ.[25] Năm 1906, Pierre Weiss giới thiệu khái niệm đômen từ nhằm giải thích những tính chất chính của sắt từ.[27] Cố gắng đầu tiên trong lý thuyết vi mô về từ học được Wilhelm Lenz và Ernst Ising phát triển thông qua mô hình Ising khi miêu tả vật liệu từ chứa dàn spin tuần hoàn khi tập hợp lại tạo thành sự từ hóa.[25] Mô hình Ising giải thích chính xác sự từ hóa tự phát không thể xuất hiện trong một chiều nhưng có thể xuất hiện ở những chiều cao hơn trong dàn tinh thể. Những nghiên cứu tiếp theo như bởi Bloch về sóng spin và bởi Néel về phản sắt từ dẫn đến sự phát triển của những vật liệu từ mới trong những ứng dụng hiện đại như thiết bị lưu trữ từ tính trong các ổ cứng máy tính.[25]

Vật lý đa vật thể

Mô hình Sommerfeld và mô hình spin cho vật liệu sắt từ thể hiện sự thành công trong ứng dụng cơ học lượng tử vào các vấn đề của vật lý vật chất ngưng tụ trong thập niên 1930. Tuy vậy, trong thời gian này vẫn có những vấn đề chưa giải quyết được, điển hình là tính siêu dẫn và hiệu ứng Kondo.[28] Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, một số ý tưởng của lý thuyết trường lượng tử được áp dụng sang các vấn đề của vật lý vật chất ngưng tụ. Chúng bao gồm sự công nhận của các mô hình tập hợp về trạng thái kích thích của chất rắn và khái niệm quan trọng liên quan đến các giả hạt. Nhà vật lý người Nga Lev Landau sử dụng ý tưởng của lý thuyết chất lỏng Fermi đưa vào tính chất năng lượng thấp của những hệ fermion tương tác cho theo thuật ngữ mà ngày nay gọi là các giả hạt Landau.[28] Landau cũng phát triển lý thuyết trường trung bình cho sự chuyển pha liên tục, trong đó miêu tả trật tự của pha theo mô hình phá vỡ đối xứng tự phát. Lý thuyết cũng giới thiệu khái niệm tham số trật tự nhằm phân biệt giữa các trật tự pha.[29] Cuối cùng vào năm 1965, John Bardeen, Leon Cooper và John Schrieffer phát triển lý thuyết BCS giải thích tính siêu dẫn nhiệt độ thấp, dựa trên khám phá rằng sự thu hút nhỏ bất kỳ giữa hai electron có thể làm xuất hiện trạng thái liên kết gọi là cặp Cooper.[30]

Lĩnh vực nghiên cứu sự chuyển pha và quan sát các điểm tới hạn (hoặc giới hạn) là một trong những hướng nghiên cứu chính của thập niên 1960.[31] Leo Kadanoff, Benjamin Widom và Michael Fisher phát triển khái niệm lũy thừa tới hạn (critical exponent) và giả thuyết Widom (Widom scaling). Những ý tưởng này được Kenneth Wilson thống nhất vào năm 1972 dưới hình thức luận của nhóm tái chuẩn hóa trong khuôn khổ của lý thuyết trường lượng tử.[31]

Klaus von Klitzing phát hiện ra hiệu ứng Hall lượng tử vào năm 1980 khi ông quan sát thấy độ dẫn Hall bằng một số nguyên lần của một hằng số cơ bản. (xem hình) Hiệu ứng được quan sát cho thấy sự độc lập vào các tham số của hệ ngưng tụ như kích thước của hệ và độ pha tạp chất, và vào năm 1981, nhà vật lý lý thuyết Robert Laughlin đề xuất một lý thuyết miêu tả các trạng thái nguyên theo ngôn ngữ của bất biến tô pô gọi là số Chern.[32] Ngay sau đó vào năm 1982, Horst Störmer và Daniel Tsui quan sát thấy hiệu ứng Hall lượng tử phân số khi độ dẫn của vật liệu lúc này bằng bội hữu tỉ của một hằng số. Laughlin, vào năm 1983, nhận ra rằng điều này là hệ quả của tương tác giả hạt trong trạng thái Hall và thiết lập một nghiệm biến phân gọi là hàm sóng Laughlin.[33] Lĩnh vực nghiên cứu tính chất tô pô của hiệu ứng Hall lượng tử phân số vẫn đang diễn ra sôi nổi.

Năm 1987, Karl Müller và Johannes Bednorz phát hiện ra chất siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên, loại vật liệu có tính siêu dẫn tại những nhiệt độ cao tới 50 Kelvin và hơn thế nữa. Người ta nhận ra rằng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao là những ví dụ của vật liệu tương quan mạnh khi tương tác electron–electron đóng một vai trò quan trọng.[34] Vẫn chưa có một lý thuyết giải thích thỏa đáng cho các chất siêu dẫn nhiệt độ cao và lĩnh vực nghiên cứu vật liệu tương quan mạnh đang tiếp tục phát triển xa hơn.

Năm 2009, David Field và đồng nghiệp tại Đại học Aarhus khám phá ra điện trường tự phát khi rạo ra các lớp mỏng của nhiều khí khác nhau. Khám phá này đưa đến sự mở rộng nghiên cứu của lĩnh vực spontelectrics.[35]