2025. 4. 25. 오전 10:44:12
한양대 신상진 교수, 한국물리학회 ‘성봉물리학상’ 수상
출처: 한겨레 ( 한국 / 한국어 )
응집물질물리학
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목차
1. 개요
응집물질물리학은 물질의 물리적 성질을 연구하는 물리학의 한 분야이다. 18세기 열역학의 발달과 20세기 양자역학의 확립을 거치며 발전해왔으며, 고체, 액체, 소프트 매터 등 다양한 물질의 특성을 다룬다. 이론적으로는 물질의 전자적 특성을 설명하는 모델, 상전이 연구, 창발성 등을 다루며, 실험적으로는 물질의 새로운 특성을 발견하기 위해 다양한 분광법, 자기장 응용 실험, 저온 원자 기체 실험 등을 수행한다. 응집물질물리학은 반도체, 레이저, 자기 저장, 나노 기술, 양자 컴퓨팅, 의료 기술 등 다양한 분야에 응용되며, 한국에서도 여러 대학과 연구소를 중심으로 활발하게 연구가 진행되고 있다.
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- 물리학 - 양자역학
양자역학은 20세기 초에 개발된 물리학 이론으로, 미시적인 계의 성질과 거동을 설명하며, 불확정성 원리, 파동-입자 이중성 등의 개념을 포함하고, 현대 기술과 현대 물리학에 중요한 영향을 미친다. - 물리학 - 광학
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| 응집물질물리학 | |
|---|---|
| 응집물질물리학 | |
 | |
| 개요 | |
| 분야 | 물리학 |
| 주요 개념 | |
| 상 (물질) | 상 상전이 양자 임계점(QCP) |
| 상 | 고체 액체 기체 플라스마 보스-아인슈타인 응축 보스 기체 페르미온 응축 페르미 기체 페르미 액체 초고체 초유체 러팅거 액체 시간 결정 |
| 질서 변수 | 질서 변수 상전이 양자 임계점(QCP) |
| 전자 구조 | 전자 띠 구조 플라스마 절연체 모트 절연체 반도체 준금속 전도체 초전도체 열전 압전 강유전성 위상 부도체 스핀 갭리스 반도체 |
| 전도 현상 | 양자 홀 효과 스핀 홀 효과 콘도 효과 |
| 자기 | 반자성체 초반자성체 상자성체 초상자성체 강자성체 반강자성체 메타자성체 스핀 글라스 |
| 준입자 | 포논 엑시톤 플라스몬 폴라리톤 폴라론 마그논 로톤 |
| 기타 | 비정질 고체 콜로이드 입상 재료 액정 고분자 |
| 인물 | |
| 주요 인물 | 반데르발스 오네스 폰 라우에 브래그 디바이 블로흐 온사게르 모트 파이얼스 란다우 러팅거 앤더슨 반 블렉 허버드 쇼클리 바딘 쿠퍼 슈리퍼 조지프슨 네엘 에사키 예베르 콘 카다노프 피셔 윌슨 폰 클리칭 비니히 로러 베드노르츠 뮐러 러플린 쇠르머 양 추이 아브리코소프 긴츠부르크 레겟 파리시 베터리히 퍼듀 |
| 관련 학문 | |
| 학문 분야 | 물리학 |
2. 역사
필립 워렌 앤더슨과 볼커 하이네는 1967년 케번디시 연구소에서 연구 그룹의 이름을 '고체 이론'에서 '응집 물질 이론'으로 바꾸면서 "응집 물질"이라는 용어를 처음 사용했다.[10] 이 명칭은 액체, 핵물질 등 더 넓은 범위를 포괄하며, 유럽에서는 1963년에 창간된 스프링어의 ''응집 물질 물리학'' 저널에서 이미 사용되고 있었다.[13] "응집 물질 물리학"은 고체, 액체, 플라스마 등 다양한 물질 연구의 공통성을 강조한 반면, "고체 물리학"은 금속, 반도체 등 산업적 응용에 치우치는 경향이 있었다. 당시 일부 물리학자들은 "응집 물질"이라는 포괄적인 명칭이 냉전 시대의 연구 환경에 더 적합하다고 판단했다.[14]
야코프 프렌켈은 1947년 저서 ''액체의 운동 이론''에서 "액체의 운동 이론은 고체 운동 이론의 일반화 및 확장으로, '응집체'라는 제목으로 통합하는 것이 더 정확하다"라고 언급하며 "응축된" 상태라는 개념을 사용했다.[15]
18세기 이전 물리학은 해석학과 기하학으로 설명 가능한 분야에 집중했고, 화학은 박물학적으로 물질의 성질을 기술했다. 18세기 열역학은 기체의 성질을 거시적으로 체계화하여 물성물리학의 기초를 마련했고, 19세기 후반 통계역학은 열역학을 미시적 관점에서 설명했다. 20세기 전반 양자역학은 고체의 결정 구조와 화학 반응을 기술했다.
최근에는 고분자, 액정, 콜로이드 등을 다루는 소프트 매터 물리학도 물성물리학의 한 분야로 자리 잡았다. 일본에서 물성론 또는 물성물리학이라는 용어는 1940년대 이후 사용되기 시작했다.
2. 1. 고전 물리학 시대
19세기 초, 영국의 화학자 험프리 데이비는 당시 알려진 40개의 화학 원소 중 26개가 광택, 연성 및 높은 전기 및 열 전도성과 같은 금속 성질을 띤다는 것을 관찰했다.[16] 이는 존 돌턴의 원자론에서 주장하는 바와 달리, 원자가 분할 불가능한 것이 아니라 내부 구조를 가지고 있음을 시사했다. 데이비는 또한 질소 및 수소와 같이 기체로 여겨졌던 원소도 적절한 조건에서 액화될 수 있으며, 그러면 금속처럼 행동할 것이라고 주장했다.[17]1823년, 마이클 패러데이는 염소 액화에 성공했고, 질소, 수소, 산소를 제외한 모든 알려진 기체 원소를 액화시켰다.[16] 1869년, 아일랜드의 화학자 토마스 앤드루스는 액체에서 기체로의 상전이를 연구하여 기체와 액체가 상으로 구별할 수 없는 조건을 설명하기 위해 임계점이라는 용어를 만들었다.[19] 네덜란드의 물리학자 요하네스 판 데르 발스는 더 높은 온도에서의 측정값을 기반으로 임계 거동을 예측할 수 있는 이론적 틀을 제공했다.[20] 1908년까지 제임스 듀어와 헤이케 카메를링 오네스는 각각 수소와 헬륨 액화에 성공했다.[16]
1900년 파울 드루데는 금속 고체를 통과하는 고전적인 전자에 대한 최초의 이론 모델을 제안했다.[6] 드루데의 모델은 자유 전자의 기체의 관점에서 금속의 성질을 설명했으며, 비데만–프란츠 법칙과 같은 경험적 관찰을 설명하는 최초의 미시적 모델이었다.[21][22] 그러나 드루데 모델은 금속의 비열과 자기적 성질에 대한 전자 기여도, 그리고 저온에서의 저항률의 온도 의존성을 정확하게 설명할 수 없었다.[23]
2. 2. 양자역학의 등장
볼프강 파울리는 금속 내 자유 전자가 페르미-디랙 통계를 따른다는 것을 이용하여 1926년에 상자성 이론을 개발했다.[23] 아르놀트 조머펠트는 페르미-디랙 통계를 자유 전자 모형에 통합하여 금속의 열용량을 더 잘 설명할 수 있게 하였다. 1928년, 펠릭스 블로흐는 양자역학을 사용하여 주기적인 결정 격자 내 전자의 운동을 설명했다.[23]오귀스트 브라베, 예브그라프 표도로프 등이 개발한 결정 구조의 수학은 결정을 대칭군별로 분류하는 데 사용되었으며, 1935년에 출판된 ''결정학 국제표''의 기초가 되었다.[27] 밴드 구조 계산은 1930년에 처음으로 새로운 물질의 특성을 예측하는 데 사용되었고, 1947년 존 바딘, 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리는 최초의 반도체 기반 트랜지스터를 개발하여 전자공학 혁명의 시대를 열었다.[6]
1879년, 에드윈 허버트 홀은 도체에 전류와 수직 방향으로 자기장을 가했을 때, 두 방향 모두에 수직인 전압이 발생하는 홀 효과를 발견했다.[28] 1930년, 레프 란다우는 란다우 양자화 이론을 개발하여 훗날 발견된 양자 홀 효과의 이론적 기초를 마련했다.[29][30]
물질의 자성은 기원전 4000년경부터 중국에서 알려져 있었지만,[31] 19세기에 맥스웰 등이 전자기학을 발전시키면서 자성에 대한 연구가 본격화되었고, 물질을 강자성, 상자성, 반자성으로 분류했다.[32] 피에르 퀴리는 강자성체의 퀴리점 상전이를 발견했고,[31] 1906년 피에르 바이스는 자기 도메인 개념을 도입했다.[33] 빌헬름 렌츠와 에른스트 아이징은 아이징 모형을 통해 자기 물질을 스핀의 주기적 격자로 묘사했다.[31]
2. 3. 현대 다체 물리학
제2차 세계 대전 이후, 양자장론의 개념들이 응집 물질 문제에 적용되면서, 고체의 집단 여기와 준입자 개념이 중요하게 다루어졌다. 소련의 물리학자 레프 란다우는 페르미 액체 이론을 개발하여 상호작용하는 페르미온계의 저에너지 특성을 설명하고, 연속적인 상전이에 대한 평균장 이론을 제시했다. 이 이론은 정렬된 상을 구별하기 위한 질서 매개변수의 개념을 도입했다.[35][36] 1957년, 존 바딘, 레온 쿠퍼, 로버트 슈리퍼는 BCS 이론을 발표했다. 이 이론은 격자 내의 포논에 의해 매개되는 반대 스핀을 가진 두 전자의 인력이 쿠퍼쌍을 형성하여 초전도 현상을 설명한다.[50]
1960년대에는 상전이와 임계 현상에 대한 연구가 활발하게 진행되었으며, 레오 카다노프, 벤자민 와이돔, 마이클 피셔는 임계 지수와 와이돔 스케일링의 개념을 발전시켰다. 케네스 G. 윌슨은 1972년에 재정규화군 이론을 통해 이러한 개념들을 통합했다.[37]
1980년, 클라우스 폰 클리칭은 양자 홀 효과를 발견하여 홀 전도율이 기본 상수의 정수 배수임을 관찰했다.[38] 1981년, 로버트 러플린은 정수 플래토의 정확성을 설명하는 이론을 제안하고, 홀 전도율이 체른 수라는 위상 불변량에 비례함을 보였다. 데이비드 J. 사울리스 등은 고체의 밴드 구조와 체른 수의 관련성을 공식화했다.[39][40] 1982년, 호르스트 슈퇴르머와 다니엘 추이는 분수 양자 홀 효과를 관찰했고, 1983년 러플린은 라플린 파동 함수라는 변분법 해법을 제시하여 이를 설명했다.[41] 분수 홀 효과의 위상적 특성은 여전히 활발한 연구 분야이다.[42] 이후, 데이비드 J. 사울리스 등의 위상 밴드 이론[43]은 위상 절연체 발견으로 이어졌다.[44][45]
1986년, 칼 알렉산더 뮐러와 요하네스 베드노르츠는 최초의 고온 초전도체인 La2-xBaxCuO4를 발견했다.[46] 고온 초전도체는 전자-전자 상호 작용이 중요한 강상관 물질의 예시로, 이에 대한 이론적 설명은 아직 미해결 상태이며, 강상관 물질 분야는 활발한 연구 주제이다.[47]
2012년, 여러 그룹에서 사마륨 육붕화물이 위상 절연체의 특성을 가짐을 시사하는 연구 결과를 발표했다.[48][49] Kondo 절연체이자 강상관 전자 물질인 사마륨 육붕화물에서 위상 디랙 표면 상태가 존재한다면, 강한 전자 상관 관계를 가진 위상 절연체가 나타날 수 있다.
3. 이론
응집 물질 물리학 이론은 물질의 상태와 특성을 이해하기 위해 다양한 이론적 모델을 사용한다. 고체의 전자적 특성을 연구하는 모델에는 드루데 모델, 밴드 구조, 밀도 범함수 이론 등이 있다. 긴즈버그-란다우 이론, 임계 지수와 같이 상전이 현상을 연구하기 위한 이론적 모델도 개발되었다. 또한, 양자장론 및 재규격화군과 같은 수학적 방법론도 응집 물질 물리학 이론 연구에 사용된다.
현대 응집 물질 물리학 이론 연구는 수치적 계산을 이용한 전자 구조 계산과 고온 초전도 현상, 위상적 상, 게이지 대칭성과 같은 현상을 이해하기 위한 수학적 도구를 포함한다.
18세기 이전의 물리학은 해석학과 기하학으로 설명 가능한 분야를 중심으로 발전했다. 반면 화학은 박물학적으로 물질의 성질을 기술하는 것이 일반적이었다. 열역학은 기체의 성질을 거시적인 관점에서 현상론적으로 체계화하여 물성 물리학의 기초를 마련했다. 19세기 후반에는 통계역학이 도입되어 열역학에 미시적 기초가 마련되었고, 20세기 전반에는 양자역학이 확립되어 고체의 결정 구조나 화학 반응을 기술할 수 있게 되었다.
최근에는 소프트 매터 물리학도 물성 물리학의 한 분야로 자리 잡고 있다.
3. 1. 창발성
응집 물질 물리학의 이론적 이해는 창발의 개념과 밀접하게 관련되어 있으며, 여기서 입자들의 복잡한 집합체는 개별 구성 요소와는 매우 다른 방식으로 행동한다.[50][42] 예를 들어, 고온 초전도성과 관련된 일련의 현상은 개별 전자와 격자의 미시적 물리학이 잘 알려져 있음에도 불구하고 제대로 이해되지 않고 있다.[51] 마찬가지로, 집단 여기가 광자와 전자처럼 행동하여 전자기학을 창발 현상으로 설명하는 응집 물질 시스템의 모델이 연구되었다.[52] 창발적 특성은 물질 간의 경계면에서도 발생할 수 있다. 한 예로 두 개의 띠 절연체가 결합되어 전도성과 초전도를 생성하는 란타넘 알루미네이트-스트론튬 티타네이트 계면이 있다.3. 2. 고체의 전자 이론
금속은 역사적으로 응집물질물리학 연구의 중요한 대상이었다.[56] 1900년 파울 드루데는 드루데 모델을 제시하여 금속 내 전자를 전자의 이상 기체로 묘사하고, 이를 통해 금속의 전기적, 열적 특성을 설명하고자 했다. 드루데 모델은 경험적인 비데만-프란츠 법칙을 유도하여 실험 결과와 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.[22] 그러나 이 고전적인 모델은 전자의 페르미-디랙 통계를 고려한 아르놀트 조머펠트에 의해 개선되었다. 조머펠트는 페르미-디랙 통계를 통합하여 비데만-프란츠 법칙에서 금속의 비열 문제를 설명할 수 있었다.[22] 1912년, 막스 폰 라우에와 파울 크니핑은 결정의 X선 회절 패턴을 관찰하여 결정 구조가 원자의 주기적인 격자에서 비롯된다는 결론을 내렸다.[22][53] 1928년, 스위스 물리학자 펠릭스 블로흐는 블로흐 정리를 통해 주기적인 포텐셜을 갖는 슈뢰딩거 방정식의 파동 함수 해를 제공했다.[54]다체 파동 함수를 풀어 금속의 전자적 성질을 계산하는 것은 계산적으로 어려운 경우가 많아, 근사 방법이 필요하다.[55] 1920년대에 개발된 토마스-페르미 이론은 국소 전자 밀도를 변분 매개변수로 사용하여 시스템 에너지와 전자 밀도를 추정했다. 1930년대에 더글러스 하트리, 블라디미르 포크, 존 슬레이터는 하트리-포크 파동 함수를 개발했는데, 이는 토마스-페르미 모델을 개선한 것이다. 하트리-포크 방법은 단일 입자 전자 파동 함수의 교환 통계를 고려했지만, 일반적으로 하트리-포크 방정식을 푸는 것은 매우 어렵고 자유 전자 기체의 경우만 정확하게 풀 수 있다.[56] 1964~65년에 발터 콘, 피에르 호엔베르크, 루 주 샴은 금속의 벌크 및 표면 특성에 대한 현실적인 설명을 제공하는 밀도 범함수 이론(DFT)을 제안했다. 밀도 범함수 이론은 1970년대 이후 다양한 고체의 밴드 구조 계산에 널리 사용되고 있다.[55]
3. 3. 대칭성 깨짐
물질의 일부 상태는 관련 물리 법칙이 깨진 어떤 형태의 대칭성을 가지는 ''대칭성 깨짐'' 현상을 나타낸다. 일반적인 예는 연속적인 병진 대칭성을 깨는 결정 고체이다. 다른 예로는 회전 대칭성을 깨는 자화된 강자성체와, BCS 이론의 초전도체 바닥 상태와 같은 더 특이한 상태가 있으며, 이는 U(1) 위상 회전 대칭성을 깬다.[57][58]양자장론의 골드스톤 정리는 깨진 연속 대칭성을 가진 시스템에서 골드스톤 보존이라고 하는 임의로 낮은 에너지를 가진 여기 상태가 존재할 수 있다고 말한다. 예를 들어, 결정 고체에서 이들은 격자 진동의 양자화된 버전인 포논에 해당한다.[59]
3. 4. 상전이
상전이는 온도, 압력과 같은 외부 변수의 변화에 의해 발생하는 시스템의 상 변화를 말한다. 예를 들어, 얼음이 녹아 물이 될 때, 얼음의 정렬된 육각형 결정 구조는 물 분자의 수소 결합된, 이동 가능한 배열로 변경된다.양자 상전이에서는 온도가 절대 영도로 설정되고 압력 또는 자기장과 같은 비열 제어 매개변수가 하이젠베르크 불확정성 원리에서 발생하는 양자 요동에 의해 질서가 파괴될 때 상전이가 발생한다.[60]
두 가지 종류의 상전이가 있다. ''1차 전이''와 ''2차 전이'' 또는 ''연속 전이''가 있다. 후자의 경우, 관련된 두 상은 임계점이라고도 하는 전이 온도에서 공존하지 않는다. 임계점 근처에서 시스템은 상관 길이, 비열, 자기 감수율과 같은 여러 속성이 지수적으로 발산하는 임계 거동을 겪는다.[60]
연속 상전이를 설명할 수 있는 가장 간단한 이론은 소위 평균장 근사에서 작동하는 긴즈버그-란다우 이론이다. 그러나 장거리 미시적 상호 작용을 포함하는 강유전체 및 1형 초전도체의 연속 상전이만을 대략적으로 설명할 수 있다. 임계점 근처의 단거리 상호 작용을 포함하는 다른 유형의 시스템의 경우 더 나은 이론이 필요하다.[62]
임계점 근처에서 요동은 다양한 크기 규모에서 발생하며 전체 시스템의 특징은 규모 불변이다. 재정규화군 방법은 효과를 다음 단계로 유지하면서 단계별로 가장 짧은 파장 요동을 차례로 평균한다. 따라서 다른 크기 규모에서 본 물리 시스템의 변화를 체계적으로 조사할 수 있다. 이러한 방법은 강력한 컴퓨터 시뮬레이션과 함께 연속 상전이와 관련된 임계 현상을 설명하는 데 크게 기여한다.[61]
4. 실험
실험 응집 물질 물리학은 물질의 새로운 특성을 발견하기 위해 다양한 실험적 탐침을 사용한다. 이러한 탐침에는 전기장 및 자기장의 영향, 응답 함수 측정, 수송 특성 및 온도 측정이 포함된다.[63]
일반적으로 사용되는 실험 방법에는 X선, 적외선 및 비탄성 중성자 산란과 같은 탐침을 이용하는 분광법이 있다. 또한 비열과 열 및 열 전도를 통한 수송 측정과 같은 열 응답 연구도 포함된다.[63]
4. 1. 산란 실험
다수의 응집 물질 실험은 X선, 광학 광자, 중성자 등과 같은 실험 탐침을 물질의 구성 요소에 산란시키는 과정을 포함한다. 산란 탐침의 선택은 관심 있는 관찰 에너지 규모에 따라 달라진다. 가시광선은 1 전자볼트(eV) 규모의 에너지를 가지며, 유전 상수 및 굴절률과 같은 물질 특성의 변화를 측정하기 위한 산란 탐침으로 사용된다. X선은 10 keV 정도의 에너지를 가지므로 원자 크기 규모를 탐지할 수 있으며, 전자 전하 밀도 및 결정 구조의 변화를 측정하는 데 사용된다.[64]중성자는 또한 원자 크기 규모를 탐지할 수 있으며, 핵과 전자 스핀 및 자화 (중성자는 스핀을 가지지만 전하는 없음)의 산란을 연구하는 데 사용된다. 쿨롱 산란 및 모트 산란 측정은 전자빔을 산란 탐침으로 사용하여 수행할 수 있다.[64][65] 양전자 소멸은 국소 전자 밀도를 간접적으로 측정하는 데 사용될 수 있다.[66] 레이저 분광법은 매질의 미세한 특성을 연구하는 데 탁월한 도구이며, 비선형 광학 분광법을 사용하여 매질에서 금지 전이를 연구하는 데 사용된다.[61]
4. 2. 자기장 응용 실험
외부 자기장은 물질 시스템의 상태, 상전이 및 특성을 제어하는 열역학 변수로 작용한다.[67] 핵 자기 공명(NMR)은 외부 자기장을 사용하여 개별 원자핵의 공명 모드를 찾는 방법으로, 이를 통해 환경의 원자, 분자 및 결합 구조에 대한 정보를 제공한다. NMR 실험은 최대 60 테슬라의 자기장 세기에서 수행할 수 있으며, 더 높은 자기장은 NMR 측정 데이터의 품질을 향상시킬 수 있다.[70][68] 양자 진동은 높은 자기장을 사용하여 페르미 표면의 형상과 같은 물질 특성을 연구하는 또 다른 실험 방법이다.[69] 높은 자기장은 양자화된 자기 전기 효과, 이미지 자기 단극, 그리고 반정수 양자 홀 효과와 같은 다양한 이론적 예측을 실험적으로 테스트하는 데 유용할 것이다.[70]4. 3. 자기 공명 분광법
전자 상자성 공명(EPR) 및 핵자기 공명(NMR)과 같은 자기 공명 방법을 사용하여 응집 물질에서 가장 가까운 이웃 원자의 구조를 조사할 수 있다. 이러한 방법은 초미세 결합을 통해 핵과 전자의 주변 세부 사항에 매우 민감하다. 국소 전자는 물론 특정 안정 또는 불안정 원자핵 동위원소는 이러한 초미세 구조의 탐침이 되어 전자 또는 핵 스핀을 국소 전기장 및 자기장에 연결한다. 이러한 방법은 결함, 확산, 상전이 및 자기 질서를 연구하는 데 적합하다. 일반적인 실험 방법으로는 NMR, 핵 사중극 공명(NQR), 뮤온 스핀 분광법(μSR)의 경우와 같이 주입된 방사성 탐침, 뫼스바우어 분광법, βNMR 및 섭동 각 상관 관계(PAC)가 있다. PAC는 방법의 온도 독립성으로 인해 2000°C 이상의 극한 온도에서 상 변화를 연구하는 데 특히 이상적이다.4. 4. 저온 원자 기체 실험
광학 격자에서 초저온 원자 포획은 응집 물질 물리학 및 원자, 분자 및 광학 물리학에서 일반적으로 사용되는 실험 도구이다. 이 방법은 광학 레이저를 사용하여 이온 또는 원자가 매우 낮은 온도에서 배치될 수 있는 '격자' 역할을 하는 간섭 패턴을 형성하는 것을 포함한다. 광학 격자의 저온 원자는 ''양자 시뮬레이터''로 사용된다. 즉, 좌절된 자석과 같은 더 복잡한 시스템의 동작을 모델링할 수 있는 제어 가능한 시스템 역할을 한다.[71] 특히, 사전 지정된 매개변수를 사용하여 허바드 모델에 대한 1차원, 2차원 및 3차원 격자를 설계하고 반강자성 및 스핀 액체 정렬에 대한 상 전이를 연구하는 데 사용된다.[72][73][42]
1995년에는 170 nK의 온도로 냉각된 루비듐 원자 가스를 사용하여 S. N. 보스와 알베르트 아인슈타인이 원래 예측한 새로운 물질 상태인 보스-아인슈타인 응축을 실험적으로 실현했는데, 여기에서 많은 수의 원자가 하나의 양자 상태를 차지했다.[74]
5. 응용
응집 물질 물리학 연구는 반도체 트랜지스터 개발,[6] 레이저 기술,[61] 자기 저장, 액정, 광섬유 [76] 및 나노기술 등 여러 분야에 응용되어 현대 기술 발전에 중요한 기여를 하고 있다.[77]
5. 1. 반도체 기술
응집 물질 물리학 연구는[42][75] 반도체 트랜지스터 개발,[6] 레이저 기술,[61] 자기 저장, 액정, 광섬유,[76] 나노기술과 같은 여러 장치 응용 분야를 낳았다.[77]5. 2. 나노 기술
응집 물질 물리학 연구는 반도체 트랜지스터 개발,[6] 레이저 기술,[61] 자기 저장, 액정, 광섬유 [76] 및 나노기술 등 여러 분야에서 응용되고 있다.[77] 주사 터널링 현미경과 같은 방법은 나노미터 규모에서 물질을 제어하는 데 사용될 수 있으며, 이는 나노 제작 연구로 이어졌다.[78] 벤 페린가, 장피에르 소바주, 프레이저 스토다트 등 노벨 화학상 수상자들은 분자 자동차, 분자 풍차 등 여러 분자 기계를 개발했다.[79]양자 컴퓨터에서 정보는 큐비트로 표현된다. 큐비트는 계산이 완료되기 전에 빠르게 디코히어런스될 수 있어, 양자 컴퓨팅 실현을 위해서는 이 문제를 해결해야 한다. 이를 위해 조셉슨 접합 큐비트, 스핀트로닉스 큐비트, 분수 양자 홀 효과 상태의 비-아벨 아니온 등 응집 물질 물리학에서 다양한 접근 방식이 제안되었다.[78]
응집 물질 물리학은 생물의학에도 활용된다. 예를 들어 자기 공명 영상(MRI)은 기존 X선 영상으로 보기 어려운 연조직 등의 영상을 얻는 데 사용된다.[78]
5. 3. 양자 컴퓨팅
양자 컴퓨터에서 정보는 양자 비트(큐비트)로 표현된다. 큐비트는 유용한 계산이 완료되기 전에 빠르게 디코히어런스될 수 있다. 이 문제는 양자 컴퓨팅이 실현되기 전에 해결되어야 한다. 이 문제를 해결하기 위해 조셉슨 접합 큐비트, 자기 재료의 스핀 방향을 사용하는 스핀트로닉스 큐비트, 분수 양자 홀 효과 상태의 위상적 비-아벨 아니온을 포함하여 응집 물질 물리학에서 여러 유망한 접근 방식이 제안되었다.[78]5. 4. 의료 기술
자기 공명 영상(MRI)은 기존의 X선 영상으로는 볼 수 없는 연조직 및 기타 생리적 특징을 보여주는 의료 영상 기술에 널리 사용된다.[78]6. 관련 분야
응집물질물리학은 물리학의 여러 분야와 밀접하게 관련되어 있다. 18세기 열역학은 기체의 성질을 거시적 관점에서 현상론적으로 체계화하여 물성물리학의 기초가 되었고, 19세기 후반 통계역학은 물질의 열역학적 특성을 미시적 관점에서 기술하여 열역학의 기초를 마련하였다. 20세기 전반 양자역학의 확립은 고체의 결정 구조나 화학 반응을 기술할 수 있게 하였다.
최근에는 소프트 매터 물리학도 물성물리학의 한 분야가 되고 있으며, 다음과 같은 분야들이 응집물질물리학과 관련이 깊다.
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