Kiinteän aineen fysiikka

13.3.2012 | Miro Ruopsa

Kiinteän aineen ominaisuudet yleisesti ottaen juontuvat suuresta määrästä vuorovaikutuksia pienten hiukkasten välillä. Kun aine tiivistyy säännönmukaiseksi rakenteeksi, niin sen ominaisuuksia voidaan hyväksikäyttää ja laskea esimerkiksi partikkelien etäisyys toisistaan hilassa. Tällaiset mittaukset tehdään käyttäen hyväksi perin yksinkertaista interferometriaa, mikä on kuitenkin oma juttunsa, joten en siihen paneudu sen syvällisemmin.

Puhuttaessa kiinteän aineen fysiikasta, niin käytännössä ei kuitenkaan tarkoiteta mitä tahansa kiinteää ainetta, vaan aineita, joihin liittyy jonkunlaisia säännönmukaisuuksia. Tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että aineen rakenne on hilamainen eli atomit (tai molekyylit) ovat järjestäytyneet säännönmukaisesti. Näitä säännönmukaisuuksia tarvitaan, jotta aineen rakenteen teoriaa voitaisiin ymmärtää. Yksinkertaisimmassakaan tapauksessa se ei kuitenkaan ole aivan yksinkertaista.

Tutkittaessa mitä tahansa fysikaalisia ominaisuuksia erittäin pienessä skaalassa, syntyy väkisinkin ongelmia, joista yhtenä esimerkkinä monen kappaleen ongelma. Monen kappaleen ongelma on käytännössä yleistys kolmen kappaleen ongelmasta. Kolmen kappaleen ongelma taas on perua kahden kappaleen ongelmasta, joka sekin on jo perin monimutkainen aihe sinänsä. Kolmen ja sitä useampien kappaleiden systeemit ovat kuitenkin siinä mielessä ilkeitä, että niiden välisten vuorovaikusten ratkaisuun ei ole olemassa analyyttistä metodia ja ne joudutaan ratkomaan numeerisesti. Nykyään se onnistuu kätevästi tietokoneilla, mutta matemaattisessa mielessä ongelma on perin häiritsevä. Joka tapauksessa fysiikka ei olekaan eksakti tiede kuten esimerkiksi matematiikka.

Kiinteää ainetta tutkittaessa voidaan kuitenkin luoda tarkkoja malleja kuvaamaan systeemejä. Jos luodut mallit eivät ole riittävän tarkkoja, niin niitä hienosäädetään kunnes malli on riittävän tarkka.

Ehkä viimeistään tässä vaiheessa tekstiä on alkanut mietityttää, että mihin tätä tietoa oikein tarvitsee. Miksi minua kiinnostaisi atomien sidosenergiat tai värähtelytaajuudet?

Eräs kaikille ainakin jostain yhteydestä tuttu käsite varmasti pirisyttää kelloja, suprajohtavuus. Suprajohtavuus on ominaisuus aineilla, joka seuraa riittävän alhaisessa lämpötilassa ja kadottaa aineen resistiivisyyden. Kyseinen lämpötila on joka aineelle yksilöllinen. Aineen resistiivisyyden katoaminen tässä tapauksessa siis tarkoittaa, että resistiivisyys todella katoaa, eikä tipahda vaikka arvoon 2 yksikköä. Fysiikan kannalta on todella outoa, että jokin ominaisuus olisi nolla tai ääretön. Esimerkkinä vaikka lämpötila, joka on saatu laboratoriossa todella lähelle nollaa kelviniä muutamiin nanokelvineihin asti (0.000000001K=1 nanokelvini), mutta ei kuitenkaan nollaksi. Samalla tavalla lämpötilan kohottaminen äärettömäksi tuntuu jo intuitiivisesti järjenvastaiselta.

Suprajohteita ei sinänsä moni tavallinen talliainen tällä hetkellä hyödynnä. Lähinnä siksi, että ne ovat aivan liian kalliita peruselämän tarpeisiin. Toiseksi tällä hetkellä tunnetut suprajohteet vaativat varsin matalan lämpötilan toimiakseen. Nykyisin parhaimmat tunnetut suprajohteet toimivat 100-200 kelvinin välillä eli noin -170 ja -70 celsiusasteen hujakoilla. Ei varsin käytännöllistä sinänsä, mutta ottaen kuitenkin huomioon, että ensimmäiset löydetyt suprajohteet toimivat vain muutamissa kelvineissä, niin edistystä ollaan kyllä tehty.

Kaikella on siis tarkoituksensa ja kiinteän aineen fysiikka ei tästä säännöstä poikkea. Ensi viikolla pitäisi kiinteän aineen teoria osata, kun tentti tulla tupsahtaa. Saman tien kääntyykin katse jatkokurssiin, eli ydin- ja hiukkasfysiikkaan, mutta sitä ennen pitäisi tämä tosiaan sisäistää ja erääseen matematiikan tenttiinkin opiskella. Vähän on niitä aikoja, kun stressi painaa päälle, mutta ei voi kuin kestää. Kyllä se elämä taas avartuu tenttien jälkeen.