Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium"

Gyöngyi Csonkané
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium Atomoktól a csillagokig, Budapest, december 8.

2 Fázisátalakulások Csak kondenzált anyag? A kondenzált anyag Hadron-anyag kvark-gluon plazma több módosulatban létezhet, ezek egymásba átalakulhatnak, egymással egyensúlyban lehetnek. Energiaskálák E = k B T E = mc 2 3 He szuperfolyékonysága (3 mk) 2, ev 4 He forráspontja (1 atm, 4,2 K) 3, ev Szobahőmérséklet (293 K) 0,025 ev H atom ionizációs energiája 13,6 ev Elektron tömege 510 MeV Higgs-bozon tömege 126 GeV Kondenzált anyag: atommagok, elektronok, Coulombkölcsönhatás, kvantummechanika Kis energiájú folyamatok

3 Egykomponensű anyag tipikus fázisdiagramja p olvadás-fagyás szilárd kritikus pont folyadék forrás-lecsapódás hármaspont kondenzáció izoterm összenyomással szublimáció gáz T

4 CO 2 fázisdiagramja Kritikus pont (K): T c = 31,1 0 C p c = 73 atm Hármaspont (H): T H = 56,6 0 C p H = 5,3 bar

5 A hélium ( 4 He) fázisdiagramja Kritikus pont: T c = 5,2 K p c = 2,26 atm He I : normál folyadék He II : szuperfolyékony folyadék

6 p Tipikus izoterma (T < T c ) CO 2 izotermái folyadék p g folyadék és gőz gőz v f v g v A kritikus ponthoz közeledve eltűnik a folyadék és gőze közötti különbség A kritikus pontban Δp Δv = 0

7 Wikipedia Commons Anomális fényszórás (kritikus opaleszcencia) T < T c T = T c T > T c

8 Ferromágnesség Fázisdiagramok m ferromágnes H Spontán mágnesezettség T < T c T = T c T > T c paramágnes T c T homogén minta H T = T c H 0 ΔH Δm = 0 domén szerkezet Anomális mágnesezettség fluktuációk, anomális neutronszórás

9 Ni fázisdiagramja m m 0 m T c 1 χ T T c χ = m H, H 0 T c H T

10 Rendezettség, rendezetlenség, szimmetria A stabil egyensúlyi állapot kiválasztása: a szabadenergia minimuma F = E TS Energia (E) és entrópia (S) versenye Belső energia: alacsony hőmérsékleten döntő a rendezett állapotot teszi kedvezővé Entrópia: magas hőmérsékleten döntő a rendezetlen állapotot teszi kedvezővé A fázisátalakulás többnyire szimmetriasértéssel jár: A rendezetlen fázis valamely szimmetriája nem szimmetriája a rendezett fázisnak. A sérült szimmetria művelet a lehetséges fázisokat kapcsolja össze. Példa: az egytengelyű vagy az izotróp ferromágnes Ellenpélda: folyadék-gáz átalakulás

11 A fázisátalakulások két forgatókönyve I. Stabil és metastabil állapotok szerepcseréje (ún. elsőrendű átalakulás) F F F T < T k T = T k T > T k X X X II. Az egyensúlyi állapot instabilitása (ún. folytonos átalakulás) F F F T < T c T = T c T > T c instabillá vált állapot

12 Antiferromágnesség Nincs spontán mágnesezettség, de van mágneses rendeződés. Ferromágneses rend Antiferromágneses rend A kémiai szerkezet periódusa A mágneses szerkezet periódusa A mágneses szerkezet meghatározása: neutron-diffrakcióval λ = h p hullámhosszú hullámok Kémeink jelentik

13 Antiferomágneses rend MnF 2 kristályban ~ alrácsmágesezettség F ν NMR Mn 2+ Mn 2+ rács Az alrácsmágnesezettség mérése nukleáris mágneses rezonanciával (NMR) T

14 Szerkezeti átalakulás SrTiO 3 kristályban Ti 4+ φ φ O 2 Sr 2+ T c

15 Ferroelektromosság BaTiO3 kristályban elektromos polarizáció Ti 4+ P O 2 Ba 2+ T

16 Folyadékkristályok Rúd alakú molekulák Anizotróp folyadékok 5 Å 20 Å T Orientációs rendeződés megszilárdulás előtt izotrop nematikus szmektikus

17 Egy kis elmélet: paramágnes-ferromágnes átalakulás Állapotegyenlet: H T, m = a T m + u T m 3 Csak páratlan hatványok: H m H m H, m H, m szimmetria A mágnesezettség telítődik: u T > 0 A kritikus pont közelében: a T = a T T c u T u T c a T > 0 a T < 0 m 2 = 0, T > T c m 2 = a T c T u T c, T < T c

18 Kis elméletünk szerint: m~ T c T, T T c Mérések illesztése m~ T c T β függvénnyel: β értékei (hibahatárok nélkül): Fe Ni CrBr 3 EuO CO 2 Xe 4 He MnF 2 SrTiO 3 0,34 0,37 0,36 0,37 0,35 0,35 0,35 0,33 0,33 univerzalitás β 1 3 ferromágnes folyadék-gáz v g v f szerkezeti átalakulás (oktaéder elfordulásának szöge) antiferromágnes (alrácsmágnesezettség)

19 Skálázás Megfelelő átskálázással az izotermák egymásra esnek. m t β Modern elmélet: renormálási csoport elmélet t = T T c T c m H = 0 ~ t β Hogyan kezeljünk nagyszámú, erősen korrelált szabadsági fokot? χ~ t γ H t γ+β

20 Disszipáció nélküli áramlások 4 He szuperfolyékonysága Fémek szupravezetése 3 He szuperfolyékonysága Dinamikai viszkozitás (áramlás kapillárison keresztül) Fajlagos elenállás η ρ T 30 μp 2,17 K T T c T Bose-kondenzáció szinglett e-e párok triplett He-He párok

21 Itt a vége, tedd a jégre! Majd elcsúszik valamerre!

Hasonló dokumentumok

Szilárdtestek mágnessége. Mágnesesen rendezett szilárdtestek

Szilárdtestek mágnessége. Mágnesesen rendezett szilárdtestek Szilárdtestek mágnessége Mágnesesen rendezett szilárdtestek 2 Mágneses anyagok Permanens atomi mágneses momentumok: irány A kétféle spin-beállású elektronok betöltöttsége különbözik (spin-polarizáció)