Katı madde

; Atom ve moleküllerden oluştuğuna göre, fizikçinin amacı katı maddenin özelliklerini onu oluşturan atomların doğasına ve bu atomların uzayda düzenlenişinden yola çıkarak açıklamaktır. En kolayı içindeki atomların ya da moleküllerin uzayda dönemli olarak düzenlendiği kristalleri incelemektir. Katı hal kuramı, önce, dönemliliğin yetkin olduğu arı tek kristallerle ya da yetkin kristallerce ilgilenmişti. Dolayısıyla katı hal fiziğinin çıkış noktasını kristallerin yapısını belirlemeye çalışan kristalografi oluşturur. Bu bilim, kristallerin yapılarının belirlenmesini sağlayan güçlü aletler sayesinde, son yıllarda çok gelişmiştir. Bu aletler, güçlü X ışını ve nötron kaynakları ile atomların "görülmesini" sağlayan çözme gücü yüksek elektron mikroskoplarıdır.

Geometrik yapılarının basit olması nedeniyle çok büyük sayıda atomlardan oluşan kristallere kuvantum kuralı uygulanabilmiştir. Böylece ağır çekirdeklerin devinimi hafit elektronların deviniminden ayırt edilebilmiştir. Birbirlerine elektronlardan ileri gelen kimyasal bağlarla bağlı olan çekirdeklerin dinamiği, bu çekirdeklerin bütün katı içinde yayılan toplu titreşimleriyle betimlenebilir; bu titreşimlerin kuvantalanması bizi fononlar kavramına götürür. Elektron yapısı, kuşaklar kuramı’ ile bir elektrona yaklaştırırınla betimlenir. Daha sonra elektronlarla fononların etkileşimi incelenir. Bu basit yetkin kristal kuramı kristal yapıdaki katı cismin esnekliğe ilişkin, elektriksel (elektriksel iletkenlik), ısıl (özgül ısı, ısıl iletkenlik) ve optik (kırılma indisi, ışığın soğurulması) özelliklerinin doyurucu biçimde betimlenmesini sağlar.

Kuramın daha sonraki aşamasında kusur’lar'ın sokulması ile bu yetkin dönemli sıradaki tedirginlikler incelenmiştir. Çizgi halinde bir boyutlu yapılardan oluşan "dislokasyon” tipi kristal kusurları metallerin plastiktik gibi kimi mekanik özelliklerini düzenler. Kimyasal katışkılar yarı iletkenlerde çok önemli bir rol oynar. Katışktların sokulması sayesinde, yarı iletkenli düzeneklerin elektronik özellikleri kipleştirilebilir. Bütün mikroelektrik, çok küçük ölçekli (mikrometre düzeyinde) katkılamaların olasılığı üzerine kurulmuştur.

Katı hal fiziğinin önemli bir alanı kolektif olgular'ın incelenmesidir. Bu olgular, parçacıklar etkileşim halindeyken meydana gelir. Yüksek sıcaklıkta ısıl çalkantı ağır basar ve sistem düzensiz hale gelir (elektron spinleri arasındaki etkileşim için paramanyetik evre); düşük sıcaklıkta etkileşim ağır basar ve büyük uzaklıkta bir düzen kurulur (örneğin ferro-, ferri- ya da karşı ferromanyetik evreler). Manyetiklik, aşıniletkenlik katilarda karşılaşılan tipik kolektif olgulardır. Bu olgular, kendilerini yöneten genel yasaları ortaya koyan faz geçişlerinin istatistik termodinamiğiyle betimlenir.

Son olarak fizikçiler yakın zamanlarda, kristal kafesinin dönemliliğinin ortadan kalktığı daha karmaşık sistemlerle ilgilenmişlerdir; bu, düzensiz katı ortamlar fiziğidir. Başlıca iki düzensizlik tipiyle karşılaşabiliriz. Uzayda kristal yapının korunduğu, kimyasal bileşimin ise yer yer dalgalandığı bileşim düzensizliği bunlardan biridir. Bu durum düzen-düzensizlik geçişleri içeren alaşımlarda görülür. Ayrıca camlarda ya da biçimsiz cisimlerde olduğu gibi bir geometrik düzensizlik de gözlemlenebilir. Burada da, büyük sayıdaki farklı sistemlere uygulanabilen genel kavramları ortaya koyan istatistik mekanikle, ortalama makroskopik özelliklerin tanımlanmasına çalışılır. Düzensizlik, karma malzemelerde olduğu gibi, makroskopik de olabilir.

Katilar fiziğinin en önemli özelliği, yetkin kristalden düzensiz cama kadar, yoğuşmuş madde ile ilgili problemlerin tümünün ele alınmasına olanak veren çok genel kuramsal ve kavramsal araçları sağlamasıdır.