miniatura|Cel hexagonal del niobat de liti
La física de la matèria condensada és el camp de la física que s'ocupa de les característiques físiques macroscòpiques de la matèria. En particular, es refereix a les fases "condensades" que apareixen sempre que el nombre de constituents en un sistema sigui extremadament gran i que les interaccions entre els components siguin fortes. Els exemples més familiars de fases condensades són els sòlids i els líquids, que sorgeixen a partir dels enllaços i unions causats per interaccions electromagnètiques entre els àtoms. Entre les fases condensades més exòtiques, es compten les fases superfluïtat i el condensat de Bose-Einstein, que es troben en certs sistemes atòmics sotmesos a temperatures extremadament baixes, la fase superconductora exhibida pels electrons de la conducció en certs materials, i les fases ferromagnètica i antiferromagnètica d'espins en xarxes atòmiques.
La física de la matèria condensada és, de lluny, el camp més extens de la física contemporània. Un enorme progrés ha estat realitzat en la branca teòrica de la física de la matèria condensada. Per a una estimació, un terç de tots els físics americans s'identifiquen a si mateixos com a físics que treballen en temes de la matèria condensada. Històricament, aquest camp va néixer a partir de la física de l'estat sòlid, que ara és considerat com un dels seus subcamps principals. El terme física de la matèria condensada va ser encunyat, segons sembla, per Philip Anderson, quan va rebatejar el seu grup d'investigació -prèviament, teoria de l'estat sòlid- (1967). El 1978, la Divisió de Física de l'Estat Sòlid de l'American Physical Society va ser rebatejada com a Divisió de Física de Matèria Condensada. El camp d'estudi de la física de la matèria condensada té una gran superposició amb àrees d'estudi de la química, la ciència de materials, la nanotecnologia i l'enginyeria.
Una de les raons per què la física de matèria condensada rebi aquest nom és que molts dels conceptes i tècniques desenvolupats per estudiar sòlids s'apliquen també a sistemes fluids. Per exemple, els electrons de conducció en un conductor elèctric formen un tipus de líquid quàntic que té essencialment les mateixes característiques que un fluid conformat per àtoms. De fet, el fenomen de la superconductivitat, en el qual els electrons es condensen en una nova fase fluida en la qual puguin fluir sense dissipació, presenta una gran analogia amb la fase de superfluïtat que es troba en l'heli - 3 a molt baixes temperatures.
Temes de física de matèria condensada Fases: Fases genèriques: gas; líquid; sòlid. Fases a baixa temperatura: condensat de Bose-Einstein; gas de Fermi; líquid de Fermi; condensat fermiònic; líquid de Luttinger; superfluid; compostos de fermions; supersol. Fenòmens de canvi de fase: paràmetre d'ordre; transició de fase; corba de refredament
Sòlids cristal·lins: Tipus: aïllant; metall; semiconductor; semimetall; quasicristalls Característiques electròniques: band gap; ona de Bloch; banda de conducció; massa efectiva; conducció elèctrica; forat electrònic; banda de la valència Fenòmens electrònics: efecte Kondo; plasmó; efecte hall quàntic; superconductivitat; cristall de Wigner; termoelectricitat Fenòmens de xarxes: antiferromagnètics; ferromagnetisme; Magnon; fonó; vidre d'espines; defecte topològic
Matèria tova: Tipus: sòlid amorf; matèria granular; cristall líquid; polímer
Nanotecnologia: Sistemes de nanoelectromecànics (NEMS) Microscòpia de força de ressonància magnètica Transport de la calor en sistemes nanoscòpics Transport d'espín
Història de la física de la matèria condensada Física clàssica miniatura|upright|Heike Kamerlingh Onnes i Johannes van der Waals amb el'heli licuefactor a Leiden en 1908
Un dels primers estudis sobre els estats condensats de la matèria va ser realitzat pel químic anglès Humphry Davy, en les primeres dècades del Davy va observar que dels quaranta elements químics coneguts en aquest moment, vint-i-sis tenien propietats metàl·liques com ara llustre, ductilitat i alta conductivitat elèctrica i tèrmica. Això indicava que els àtoms de la teoria atòmica de John Dalton no eren indivisibles com afirmava Dalton, sinó que tenien estructura interna. Davy va afirmar a més que els elements que llavors es creia que eren gasos, com el nitrogen i l'hidrogen, podien liquar-se en les condicions adequades i llavors es comportarien com a metalls. Tant l'hidrogen com el nitrogen s'han liquat des de llavors; no obstant això, el nitrogen i l'hidrogen líquids ordinaris no posseeixen propietats metàl·liques. Els físics Eugene Wigner i Hillard Bell Huntington van predir en 1935 que existeix un estat hidrogen metàl·lic a pressions prou altes (més de 25 GPa), però encara no s'ha observat).
En 1823, Michael Faraday, llavors assistent en el laboratori de Davy, va liquar amb èxit el clor i va passar a liquar tots els elements gasosos coneguts, excepte el nitrogen, l'hidrogen i l'oxigen. Poc després, en 1869, el químic irlandès va estudiar la transició de fase d'un líquid a un gas i va encunyar el terme punt crític per a descriure la condició en la qual un gas i un líquid eren indistingibles com a fases, i el físic holandès va aportar el marc teòric que va permetre predir el comportament crític basant-se en mesuraments a temperatures molt més altes. Cap a 1908, James Dewar i Heike Kamerlingh Onnes van aconseguir liquar amb èxit l'hidrogen i després l'acabat de descobrir heli, respectivament.
Paul Drude en 1900 va proposar el primer model teòric per a un clàssica electró movent-se a través d'un sòlid metàl·lic. El model de Drude descrivia les propietats dels metalls en termes d'un gas d'electrons lliures, i va ser el primer model microscòpic que explicava observacions empíriques com la llei de Wiedemann-Franz. No obstant això, malgrat l'èxit del model d'electrons lliures de Drude, tenia un problema notable: era incapaç d'explicar correctament la contribució electrònica a la calor específica i a les propietats magnètiques dels metalls, i la dependència de la temperatura de la resistivitat a baixes temperatures.
En 1911, tres anys després que es liqüés l'heli per primera vegada, Onnes, que treballava en la Universitat de Leiden, va descobrir la superconductivitat en el mercuri, quan va observar que la resistivitat elèctrica del mercuri desapareixia a temperatures inferiors a un determinat valor. El fenomen va sorprendre per complet als millors físics teòrics de l'època, i va romandre sense explicació durant diverses dècades. Albert Einstein, en 1922, va dir respecte a les teories contemporànies de la superconductivitat que "amb la nostra profunda ignorància de la mecànica quàntica dels sistemes composts estem molt lluny de poder compondre una teoria a partir d'aquestes vagues idees".
Avanç de la mecànica quàntica El model clàssic de Drude va ser augmentat per Wolfgang Pauli, Arnold Sommerfeld, Felix Bloch i altres físics. Pauli es va adonar que els electrons lliures en el metall havien d'obeir l'estadística de Fermi-Dirac. Utilitzant aquesta idea, va desenvolupar la teoria del paramagnetisme en 1926. Poc després, Sommerfeld va incorporar l'estadística de Fermi-Dirac al model dels electrons lliures i el va millorar per a explicar la capacitat calorífica. Dos anys més tard, Bloch va utilitzar la mecànica quàntica per a descriure el moviment d'un electró en una xarxa periòdica. La matemàtica de les estructures cristal·lines desenvolupada per Auguste Bravais, Ievgraf Fiódorov i altres es va utilitzar per a classificar els cristalls pel seu grup de simetria, i les taules d'estructures cristal·lines van ser la base de la sèrie Taules Internacionals de Cristal·lografia, publicada per primera vegada en 1935. El Càlcul de l'estructura de bandes es va utilitzar per primera vegada en 1930 per a predir les propietats de nous materials, i en 1947 John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley van desenvolupar el primer transistor basat en semiconductors, la qual cosa va suposar una revolució en l'electrònica.
miniatura|esquerra|Rèplica del primer transistor de contacte puntual a Bell labs. En 1879, Edwin Herbert Hall treballant en la Universitat Johns Hopkins va descobrir un voltatge desenvolupat a través de conductors transversals a un corrent elèctric en el conductor i un camp magnètic perpendicular al corrent. Aquest fenomen que sorgeix a causa de la naturalesa dels portadors de càrrega en el conductor va arribar a denominar-se efecte Hall, però no es va explicar adequadament en el seu moment, ja que l'electró no es va descobrir experimentalment fins 18 anys després. Després de l'arribada de la mecànica quàntica, Lev Landau va desenvolupar en 1930 la teoria de la quantificació de Landau i va establir les bases per a l'explicació teòrica de l'efecte Hall quàntic descobert mig segle després.
El magnetisme com a propietat de la matèria es coneix a la Xina des de l'any 4000 aC. No obstant això, els primers estudis moderns sobre el magnetisme no es van iniciar fins al desenvolupament de l'electrodinàmica per part de Faraday, Maxwell i altres en el , que incloïa la classificació dels materials en ferromagnètics, paramagnètics i diamagnètics en funció de la seva resposta a la magnetització. Pierre Curie va estudiar la dependència de la magnetització amb la temperatura i va descobrir la transició de fase punt Curie en els materials ferromagnètics. En 1906, Pierre Weiss va introduir el concepte de domini magnètic per a explicar les principals propietats dels ferromagnetos. El primer intent de descripció microscòpica del magnetisme va ser realitzat per Wilhelm Lenz i Ernst Ising a través del model de Ising que descrivia els materials magnètics com si consistissin en una xarxa periòdica d'espins que adquirien col·lectivament magnetització. El model de Ising va ser resolt amb exactitud per a demostrar que la magnetització espontània no pot produir-se en una dimensió, però és possible en xarxes de dimensions superiors. Recerques posteriors com les de Bloch sobre ones d'espín i Néel sobre antiferromagnetisme van portar a desenvolupar nous materials magnètics amb aplicacions a dispositius d'emmagatzematge magnètic.
Física moderna de molts cossos miniatura|esquerra|alt=Un imant levitant sobre un material superconductor.|Un imant levitant sobre un superconductor d'alta temperatura. Avui dia, alguns físics estan treballant per a entendre la superconductivitat d'alta temperatura utilitzant la correspondència AdS/CFT. El model de Sommerfeld i els models d'espín per al ferromagnetisme van il·lustrar l'aplicació reeixida de la mecànica quàntica als problemes de la matèria condensada en la dècada de 1930. No obstant això, encara quedaven diversos problemes sense resoldre, sobretot la descripció de la superconductivitat i l'efecte Kondo. Després de la Segona Guerra Mundial, es van aplicar diverses idees de la teoria quàntica de camps a problemes de matèria condensada. Entre elles, el reconeixement dels modes d'excitació col·lectiva dels sòlids i la important noció de quasipartícula. El físic rus Lev Landau va utilitzar la idea per a la teoria del líquid de Fermi, en la qual les propietats de baixa energia dels sistemes de fermions que interactuen es donaven en termes del que ara es denomina quasipartícules de Landau. Landau també va desenvolupar una teoria de camp mitjà per a les transicions de fase contínues, que descrivia les fases ordenades com ruptura espontània de la simetria. La teoria també va introduir la noció d'un paràmetre d'ordre per a distingir entre fases ordenades. Finalment, en 1956, John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer van desenvolupar l'anomenada teoria BCS de la superconductivitat, basada en el descobriment que una atracció arbitràriament petita entre dos electrons d'espín oposat mitjançant fonons en la xarxa pot donar lloc a un estat lligat anomenat parell de Cooper.