Фі́зика конденсо́ваного середо́вища — широка галузь фізики, що вивчає поведінку складних систем (тобто систем із великою кількістю ступенів вільності) зі сильним зв'язком між складовими частинками. Принципова особливість еволюції таких систем полягає в тому, що її (еволюцію всієї системи) не вдається розділити на еволюцію окремих частинок. Тому доводиться аналізувати поведінку системи в цілому. Як результат, часто замість руху окремих частинок розглядаються колективні коливання. При квантовому описі, ці колективні ступені вільності стають квазічастинками.
Фізика конденсованого середовища — одна з найбагатших галузей сучасної фізики, як з погляду математичних моделей, так і з погляду застосування в прикладних галузях. Конденсовані середовища з найрізноманітнішими властивостями зустрічаються всюди: звичайні рідини, кристали та аморфні речовини, матеріали зі складною внутрішньою структурою (до яких належать і м'які конденсовані середовища), квантові рідини (електронна рідина в металах, нейтронна — в нейтронних зорях, надплинні середовища, атомні ядра), спінові ланцюжки, магнітні моменти, складні мережі тощо. Часто їхні властивості бувають настільки складні та багатогранні, що доводиться попередньо розглядати спрощені математичні моделі. В результаті пошук та дослідження точно розв'язних математичних моделей конденсованих середовищ став одним із найактивніших напрямків у фізиці конденсованих середовищ.
Назва, цілі та завдання Приблизно в 1960-х роках різні розділи фізики твердого тіла й розді, присвячені фізичним властивостям рідин, стали виокремлювати у великий розділ фізики конденсованих середовищ через поширення спільних теоретичних підходів для таких середовищ. За словами фізика Філипа Воррена Андерсона, він популяризував цей термін у США, коли 1967 року змінив назву своєї групи в кавендіських лабораторіях із теорії твердого тіла на теорію конденсованого стану, оскільки вони вважали, що це не виключає їхніх інтересів щодо вивчення рідин, ядерної матерії. Назва «конденсирована речовина» існувала в Європі протягом кількох років, зокрема з 1963 року у формі журналувидавництва Springer-Verlag англійською, французькою та німецькою мовами під назвою «Фізика конденсованого стану». Умови фінансування та політика холодної війни 1960-х і 1970-х років також стали факторами, що спонукали деяких фізиків надати перевагу назві «фізика конденсованого стану», що підкреслювало спільність наукових проблем, із якими стикаються фізики, вивчаючи тверді тіла, рідини та інші складні речовини, порівняно з «фізикою твердого тіла», яка часто асоціювалася з промисловим застосуванням металів та напівпровідників. Bell Telephone Laboratories были одним із перших інститутів, які проводили дослідницьку програму з фізики конденсованих середовищ.
Посилання на «конденсований» стан можна простежити до раніших джерел. Наприклад, у вступі до своєї книги «Кінетична теорія рідин» 1943 року Яків Френкель запропонував, що «Кінетична теорія рідин має бути узагальненням і розширенням кінетичної теорії твердих тіл. Фактично було б правильніше поєднати їх під однією назвою конденсованих тіл».
Різноманітність систем і явищ, доступних для вивчення, робить фізику конденсованих середовищ найактивнішою галуззю сучасної фізики: третина американських фізиків ідентифікують себе як фізики, що вивчають конденсовані середовища, а «Відділ фізики конденсованих середовищ» — найбільший підрозділ Американського фізичного товариства. Ця галузь тісно пов'язана з хімією, матеріалознавством та нанотехнологіями, а також із атомною фізикою та біофізикою. Теоретична фізика конденсованого стану використовує важливі поняття та методи фізики елементарних частинок та ядерної фізики. У фізиці конденсованого стану речовини центральне місце займає поняття квазічастинок як елементарних збуджень середовища. Тому також розглядають альтернативне визначення конденсованого стану речовини як «ансамблю частинок, об'єм яких за заданих зовнішніх умов визначається виключно силами взаємодії між частинками».
Широта інтересів фізики конденсованого стану передбачає, що її завданням є пояснення всього матеріального світу навколо, тобто пошук пояснень структурних та електронних властивостей твердих матеріалів і рідин. Теорія необхідна для розкриття зв'язку між мікроскопічними моделями та макроскопічними проявами досліджуваних явищ у конденсованих середовищах. Вальтер Кон, один із творців теорії квантово-механічних розрахунків твердих тіл наприкінці 1990-х років сказав:
Протягом цього століття фізика конденсованого стану зазнала вражаючої еволюції, причому революційні кроки часто робилися у трьох взаємопов'язаних сферах: нові експериментальні відкриття та методи вимірювання; керування складом і атомними конфігураціями матеріалів; нові теоретичні концепції та методи. Коротко і зрозуміло описати цю еволюцію дуже складно через надзвичайну різноманітність ФКС та численні взаємозв'язки.
Основні галузі досліджень фізика твердого тіла мезоскопічна фізика м'яка конденсована речовина квантовий ефект Холла надпровідність сильно корельовані системи спінові ланцюжки високотемпературна надпровідність фізика невпорядкованих систем нанотехнології
Теоретична фізика Теоретична фізика конденсованих середовищ передбачає використання низки теоретичних моделей для пояснення властивостей станів матерії. Вони охоплюють моделі для дослідження електронних властивостей твердих тіл, таких як модель Друде, зонної структури та теорії функціонала густини. Також розроблено теоретичні моделі для вивчення фізики фазових переходів, як-от теорія Гінзбурга — Ландау, критичні індекси і використання математичних методів квантової теорії поля та ренормгрупа. Сучасні теоретичні дослідження передбачають використання чисельного розрахунку електронної структури та математичних інструментів, які дають змогу зрозуміти такі явища, як високотемпературна надпровідність, топологічні фази та калібрувальні симетрії.
Симетрія та її порушення Симетрія є важливим аспектом будь-якої фізичної теорії і часто навіть без знання детальної картини певного явища дає змогу зробити деякі конструктивні висновки. Більшість точних тверджень у фізиці випливають із властивостей симетрії системи. Поширеним прикладом є кристалографічні точкові групи симетрії твердих тіл та їх взаємозв'язок з електронною зонною структурою.
У деяких станах матерії спостерігається , коли відповідні закони фізики мають порушену симетрію. Типовим прикладом є кристалічні тверді речовини, які порушують неперервну трансляційну симетрію. Серед інших прикладів — намагнічені феромагнетики, які порушують обертальну симетрію, і більш екзотичні стани, як-от основний стан БКШ-надпровідника, який порушує U(1) симетрію обертання.
Теорема Голдстоуна у квантовій теорії поля стверджує, що в системі з порушеною неперервною симетрією можуть існувати збудження з довільно низькою енергією, які називають бозонами Голдстоуна. Наприклад, у кристалічних твердих тілах вони відповідають фононам, які є квантованими версіями коливань кристалічної ґратки.
Електронна теорія твердого тіла Історично, металічний стан був важливим будівельним блоком вивчення властивостей твердих речовин. Перший теоретичний опис металів дав 1900 року Пол Друде за допомогою моделі Друде, яка пояснила електричні та теплові властивості, описавши метал як ідеальний газ нещодавно відкритих електронів. Він зміг вивести емпіричний закон Відемана — Франца й отримати результати, добре узгоджені з експериментами. Арнольд Зоммерфельд покращив цю класичну модель, включивши статистику електронів, і зміг пояснити аномальну поведінку питомої теплоємності металів у законі Відемана — Франца. 1912 року структуру кристалічних твердих тіл вивчали Макс фон Лауе і , вони спостерігали рентгенограми кристалів і дійшли висновку, що кристали мають атомарну структуру у вигляді періодичної . 1928 року швейцарський фізик Фелікс Блох надав розв'язок рівняння Шредінгера з періодичним потенціалом, названий блохівською хвилею.
Визначення електронних властивостей металів через знаходження багаточастинкової хвильової функції, переважно, є складною обчислювальною задачею, і, отже, для отримання значущих передбачень слід використовувати наближені методи. Теорію Томаса — Фермі, розроблену в 1920-х роках, використовували для оцінення енергії системи та електронної густини, розглядаючи локальну електронну густину як варіаційний параметр. Пізніше, в 1930-х роках, Дуґлас Гартрі, Володимир Фок і розробили так званий метод Гартрі — Фока для покращення моделі Томаса — Фермі. Метод Гартрі — Фока враховував обмінну статистику одночастинкових електронних хвильових функцій. Розв'язати рівняння Гартрі — Фока в загальному випадку дуже складно. Тільки випадок із вільним електронним газом має точний розв'язок. Нарешті, в 1964—1965 роках Вальтер Кон, і запропонували теорію функціоналу густини, яка дала реалістичні описи об'ємних і поверхневих властивостей металів. Починаючи з 1970-х років теорію функціоналу густини широко використовувано для розрахунку зонної структури різних твердих тіл. Для дослідження багаточастинкових ефектів електронно-електронної взаємодії, кращого узгодження з експериментом заборонених зон напівпровідників та збуджених станів застосовують методи багаточастинкових функцій Гріна та їх наближення, наприклад, , рівняння Бете — Солпітера.
Зростання обчислювальних можливостей і прогрес у чисельних методах, які залучають все частіше алгоритми машинного навчання, дають змогу переходити від експериментального методу відкриття нових матеріалів до передбачення структурних та інших властивостей нових сполук, зокрема, створюються нові бази даних для мільйонів хімічних сполук і кристалів: , Open Quantum Materials Database, Automatic Flow for Materials Discovery; і двовимірних матеріалів: C2DB, 2DMatPedia. Для сучасних вільних та комерційних пакунків для розрахунку електронної структури з перших принципів характерне застосування паралельних обчислень, використовуваних у графічних процесорах. Серед найпоширеніших програм можна виділити , , , .
Фазовий перехід Фазовий перехід відноситься до змін фази системи, викликаних зміною зовнішнього параметра, як-от температури. Класичний фазовий перехід відбувається за скінченної температури, коли порядок системи руйнується. Наприклад, коли лід тане і стає водою — упорядкована кристалічна структура руйнується. У квантових фазових переходах температура дорівнює абсолютному нулю і для керування фазовим переходом використовуються нетеплові параметри, як-от тиск або магнітне поле, коли порядок руйнується квантовими флуктуаціями, які виникають із принципу невизначеності Гейзенберга. Тут різні квантові фази системи відносяться до різних основних станів гамільтонової матриці. Розуміння поведінки квантового фазового переходу важливе у складних задачах пояснення властивостей рідкісноземельних магнітних ізоляторів, високотемпературних надпровідників та інших речовин.
Існує два класи фазових переходів: переходи першого порядку та переходи другого порядку або неперервні. Для неперервного переходу дві фази, що беруть участь у ньому, не співіснують за температури переходу, також званої критичною точкою. Поблизу критичної точки системи демонструють критичну поведінку, за якої деякі з їхніх властивостей, як-от довжина кореляції, питома теплоємність і магнітна сприйнятливість, експоненційно розбігаються. Ці критичні явища становлять серйозну проблему для фізиків, оскільки в цій ділянці звичайні макроскопічні закони більше не діють, і, щоб знайти закони, які описують систему, мають з'явитися нові ідеї та методи.
Найпростішою теорією, яка може описувати неперервні фазові переходи, є теорія Гінзбурга — Ландау, яка працює в так званому наближенні середнього поля. Однак вона лише наближено пояснює неперервний фазовий перехід для сегнетоелектриків та надпровідників I типу, які включають мікроскопічні взаємодії на великих відстанях. Для інших типів систем, які включають близькі взаємодії поблизу критичної точки, необхідна покращена теорія.