Solid State Physics
이게 아니다
固體物理學
1 개요
현대 물리학의 한 분야. 이름에서 알 수 있듯이 주로 고체에 대해 연구하지만, 세부적으로 보면 금속의 성질, 각종 결정의 미세구조, 초전도체 등등 넓은 내용을 아울러 연구하는 분야이기도 하다. 크게는 응집물질 물리학(Condensed Matter Physics)의 일부 분야에 해당하나, 문맥에 따라선 응집물질 물리학과 혼용 내지는 비슷한 의미로 쓰이기도 한다.
2 내용
각종 물리 이론들을 토대로 고체, 결정 등의 물질의 성질을 정량적으로 규명해나가는데, 어렵다! 쌩 이론물리 분야만큼은 아니지만, 양자역학, 열역학, 통계역학, 전자기학에서 배웠던 내용들이 총출동해서 학습자를 괴롭힌다. 그런데 이 쪽 분야를 공부하지 않으면 설명할 수 없는 내용들도 굉장히 많기에[1] 물성 분야를 공부하거나 연구하는 사람은 꼭 한번씩은 거쳐가야 될 분야이다.
고체물리학에서는 주로 결정을 다룬다. 결정은 작은 구조가 주기적으로 반복되는 구조를 말한다. 주로 결정을 다루는 이유중 하나는 수학적으로 다루기 쉽기 때문이다. 주기적인 구조하에서 전자 슈뢰딩거 방정식의 해를 구하면 Bloch wave 형태의 해가 나오고, 이 wave의 파수벡터(wavevector) k는 좋은 양자수임이 증명된다 [2]. 정확히 말하면 가장 작은 브릴루앙 영역 내에서만 운동량 보존 법칙이 성립하며, 더 큰 운동량을 외부에서 광자와 같은 형식으로 가할 경우 해당 상태의 전자가 에너지 보존 법칙을 만족하는 범위 내에서 다른 브릴루앙 영역으로 넘어갈 수 있다. 정리하자면 결정은 그 주기성 때문에 보존량 (파수벡터)이 존재하고 이를 이용해 고체내의 전자의 성질을 비교적 쉽게 다룰 수 있다.
외부에서 광자나 다른 입자의 형태로 상호작용을 걸 때 운동량 보존법칙과 에너지 보존법칙이 모두 성립해야 하며, 이와 관련된 상호작용들을 푸는 것이 실로 고체물리의 대다수이다. 격자 진동에 대해서도 뉴턴 방정식을 풀 뿐, 다른 제반 이론은 비슷한 형태로 흘러간다.
주기성을 갖는 시스템을 전제로하기 때문에 복합결정물질이나 비결정성 물질의 물성을 설명하는데 어려움이 있고 결정성 물질이라 하더라도 전자사이의 상호작용을 대체로 배제하기 때문에 극한 환경에서 물성을 설명하기 힘들다. 비결정성 물질에 대한 세라믹과 같이 반도체로 활용할 수 있는 광물들에 대한 연구로 응용되며 극한 환경의 물성에 대한 연구는 초전도현상 등에 연결되기 때문에 주요한 연구 주제가 되고있다.그래서 현대 물리학 분야 중에서 가장 핫한 분야이고, 실제로 각 대학들의 물리학 전공 물성 관련 연구실들 중 많은 수는 이쪽 관련 연구를 하고 있으며, 초전도체 이론, 반도체, 트랜지스터 등에 직접적으로 응용되어 전자공학이나 재료공학등의 인접분야와도 연관되는 등 응집물질 물리학과 함께 여러모로 파다 보면 돈 될 거리(...)가 많이 보이는 분야이기도 하다.초전도체는 그런것도 없다.
3 전공과정, 참고서적
위에서 서술했듯이, 과목 특성상 양자 역학, 열-통계역학, 전자기학 등을 골고루 사용하기 때문에, 학부 과정에서도 저학년에서는 다루지 않고다룰 수도 없다 보통 3~4학년차에 관련 과목이 한두개 개설이 된다. 본격적인 학습은 주로 대학원 과정부터 이뤄진다.
관련 서적은 보통 Kittel의 Introduction to Solid State Physics와 Ashcroft의 Solid State Physics 두 권이 추천되는데, 두 권 다 서로 장단점이 있고 상호보완적이어서 이 쪽 전공하는 사람들은 보통 두 권 다 책이 너덜너덜해질 때까지 참고 하는 편이다.