Lĩnh vực thực nghiệm của vật lý vật chất ngưng tụ chứa đựng cách dùng các thí nghiệm thăm dò để phát hiện ra những tính chất mới của vật liệu. Các thí nghiệm bao gồm các hiệu ứng liên quan đến điện trường và từ trường, đo giá trị của hàm đáp ứng (response function), tính chất vận chuyển (transport properties) và đo nhiệt độ.[46] Các kỹ thuật thường sử dụng là phổ học, sử dụng kỹ thuật phổ tia X, phổ hồng ngoại và tán xạ phi đàn hồi neutron; nghiên cứu sự đáp ứng nhiệt, như nhiệt dung và đo lường quá trình vận chuyển thông qua sự dẫn nhiệt và nhiệt lựong.

Tán xạ

Một vài thí nghiệm vật chất ngưng tụ bao gồm bước tán xạ thăm dò, như dùng tia X, photon quang học, neutron, vv., về thành phần của vật liệu. Sự lựa chọn bước sóng tán xạ phụ thuộc vào phạm vi năng lượng cần quan sát.[47] Bước sóng khả kiến có năng lượng vào khoảng 1 eV và được dùng trong thí nghiệm tán xạ nhằm đo sự biến đổi tính chất của vật liệu như của hằng số điện môi và chiết suất. Tia X có mức năng lượng vào cỡ 10 keV và do vậy dùng để khám phá mức nguyên tử, và để đo sự biến đổi trong mật độ điện tích electron. Neutron cũng được dùng để thăm dò cấp độ nguyên tử và liên quan tới các thí nghiệm tán xạ hạt nhân, spin của electron và sự từ hóa (do neutron có spin nhưng không có điện tích).[47] Các đo lường Coulomb và tán xạ Mott thực hiện bằng cách sử dụng tán xạ chùm electron,[48] và tương tự, sự hủy positron có thể dùng như là thí nghiệm gián tiếp để đo năng lượng cục bộ của electron.[49] Phổ học laser là công cụ để nghiên cứu các hiện tượng trong phạm vi ánh sáng khả kiến, như quang học phi tuyến, sự chuyển pha bị cấm trong môi trường.[50]

Từ trường ngoài

Trong thực nghiệm của vật lý vật chất ngưng tụ, các từ trường ngoài tác dụng như là các biến nhiệt động lực học (thermodynamic variable) điều khiển trạng thái, sự chuyển pha và các tính chất của hệ vật liệu.[51] Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) là kỹ thuật sử dụng từ trường ngoài để tìm ra các mốt (mode) cộng hưởng của từng electron, từ đó thu được thông tin về nguyên tử, phân tử và cấu trúc liên kết của các electron lân cận. Thí nghiệm NMR có thể thực hiện trong từ trường có cường độ mạnh tới 65 Tesla.[52] Dao động lượng tử (quantum oscillations) là một kỹ thuật thực nghiệm khác khi sử dụng từ trường mạnh để nghiên cứu tính chất vật liệu như hình học của bề mặt Fermi.[53] Hiệu ứng Hall lượng tử cũng sử dụng các từ trường ngoài mạnh để nghiên cứu các tính chất tô pô như góc Chern–Simons có thể đo được bằng thí nghiệm.[50]

Khí nguyên tử lạnh

Bẫy ion lạnh trong dàn quang học là một công cụ thực nghiệm thường gặp trong vật lý vật chất ngưng tụ cũng như trong vật lý quang học, phân tử, nguyên tử.[54] Kỹ thuật này bao gồm sử dụng laser bước sóng khả kiến để tạo ra những vị trí giao thoa, mà hoạt động như một "dàn", tại đó đặt các ion hay nguyên tử có nhiệt độ rất thấp.[55] Nguyên tử lạnh trong các dàn quang học được sử dụng như những "máy mô phỏng lượng tử", tức là chúng hoạt động như những hệ điều khiển được mà có thể dùng để mô hình hóa sự hoạt động của những hệ phức tạp.[56] Đặc biệt, chúng được sử dụng trong các dàn một chiều, hai chiều và ba chiều trong mô hình Hubbard với các tham số cho trước,[57] và để nghiên cứu sự chuyển pha đối với trật tự chất lỏng spin (spin liquid) và nhiệt độ Néel.[54]

Năm 1995, khí các nguyên tử rubidi được làm lạnh đến nhiệt độ 170 nK và chúng tập hợp lại thành ngưng tụ Bose–Einstein, một trạng thái vật chất kỳ lạ do S. N. Bose và Albert Einstein tiên đoán đầu tiên, trong đó một lượng lớn các nguyên tử ở trong cùng một trạng thái lượng tử.[58]