Mogłoby się wydawać, że materia skondensowana nie powinna kryć przed nami tajemnic, skoro zrozumienie dynamiki jej części składowych można sprowadzić do rozwiązania jednego równania: Newtona (w przypadku klasycznym) bądź Schroedingera (w przypadku kwantowym). Jednak większość otaczających nas przedmiotów jest złożona z ogromnej liczby cząstek (w zwykłej jednogroszówce jest więcej atomów miedzi niż gwiazd w całym obserwowanym Wszechświecie) i - jak się okazuje - nierzadko ilość przechodzi w jakość: w układzie wielocząstkowym mogą pojawiać się nowe, kolektywne zachowania, których własności nie dadzą się sprowadzić do prostej sumy elementów składowych.

Podobnie jak zachowanie tłumu nie jest prostym przełożeniem zachowań poszczególnych ludzi, tak i gaz elektronowy ma cechy, których nie można doszukać się w dynamice pojedynczych elektronów: w nadprzewodniku prąd elektryczny może płynąć dowolnie długo bez strat energii, podczas gdy w ułamkowym kwantowym efekcie Halla, elektron dodany do układu jest rozbijany na kilka osobliwych cząstek, każda z których posiada określony ułamek ładunku wyjściowego elektronu. Tego typu emergencję (czyli pojawianie się nowych własności w układzie wskutek oddziaływania jego prostszych części składowych) widzimy również w fizyce klasycznej. Rzucając garść kakao na rozgrzany na patelni olej dostrzeżemy, że kakaowy proszek ułoży się w regularną strukturę geometryczną złożoną z wielokątów. Analogiczne komórki mogą powstać w dowolnym podgrzewanym płynie - od wrzącej zupy, poprzez oceany i atmosfery ziemskiej aż po powierzchnię Słońca. Nawet najzwyklejszy piasek ujawnia, zależnie od warunków, zdumiewające bogactwo własności - można go wysypać z wiadra tak jak wylewamy ciecz, ale też chodzić po nim, jak po ciele stałym. Pięknym i wciąż słabo zrozumianym przykładem emergencji są zjawiska zachodzące w materii żywej, jak i sam problem pojawienia się życia.

Szacuje się, że około 1/3 wszystkich fizyków identyfikuje się jako fizycy materii skondensowanej. Najważniejsze agencje finansujące naukę przeznaczają ponad 50% swoich środków na badanie materii skondensowanej. Ponieważ fizyka materii skondensowanej jest silnie związana z poznaniem materiałów, które były, są lub mogą być wykorzystane w rożnych dziedzinach działalności przemysłowej, rolniczej czy militarnej, wiele badań finansowanych jest przez instytucje gospodarcze. Daje to nam możliwość nie tylko wykonywania badań fundamentalnych ale także zastosowania naszych odkryć w praktyce.

---

W naszej katedrze zajmujemy się zarówno klasyczną jak i kwantową fizyką materii skondensowanej.

Badamy materię miękką - od dynamiki zawiesin koloidalnych (czyli układów drobnych cząsteczek zawieszonych w cieczy) aż do własności mechanicznych łańcuchów białkowych. Istotną rolę w dynamice tych układów odgrywają oddziaływania przenoszone za pośrednictwem cieczy (tzw. oddziaływania hydrodynamiczne), w której cząstki czy polimery są zawieszone - ruch jednej części układu wywołuje przepływ oddziałujący na wszystkie pozostałe części układu. Oddziaływania te są długozasięgowe i - w przeciwieństwie do większości znanych oddziaływań - nie dają się przedstawić jako suma oddziaływań dwucząstkowych, dlatego ich prawidłowy opis stanowi duże wyzwanie.

Zajmuje nas też materia ziarnista - konglomeraty małych, twardych ziarenek (takich jak wspomniany wyżej piasek albo ziarnka ryżu), zderzenia między którymi nie są sprężyste, lecz zachodzą z wydzieleniem energii. Zrozumienie dynamiki materia ziarnistej stosunkowo niedawno weszło w obszar zainteresowania fizyków, a otwartych problemów jest tu całe mnóstwo - od mechanizmów powstawania lawin do dynamiki wydm czy spontanicznej segregacji układów granularnych pod wpływem zewnętrznych sił (np. przy podrzucaniu).

Ważnym obszarem badań jest teoria przejść fazowych, a także zjawiska zachodzące na styku kilku faz, w szczególności zjawisko zwilżania (czy wiecie, dlaczego po każdym deszczu liście lotosu pozostają suche i czyste?).

Ciekawią nas również procesy niestabilnego wzrostu jednej fazy w drugiej, i powstające w ich wyniku struktury - na przykład pajęczaste, fraktalne formy powstające przy wtłaczaniu mniej lepkiej cieczy do cienkiej warstwy cieczy bardziej lepkiej czy spontaniczne powstawanie kanałów w rozpuszczających się skałach prowadzące do powstawania jaskiń.

Układy, które badamy, charakteryzują się zwykle dużą złożonością i nie zawsze ich analizę można przeprowadzić jedynie metodami analitycznymi. Dlatego istotną rolę w naszej pracy odgrywają też symulacje komputerowe, dostarczają one też wglądu w mechanizmy zjawisk fizycznych w ekstremalnych warunkach niemożliwych do realizacji w laboratoriach.

W grupie kwantowej zajmujemy się przewidywaniem własności układów elektronowych w półprzewodnikach i metalach. Badamy konsekwencje oddziaływań pomiędzy elektronami czy też pomiędzy elektronami i jonami (w tym magnetycznymi) albo zewnętrznymi elektrodami. Gdy mamy bardzo wiele elektronów to mogą one kolektywnie łamać symetrie tworząc nowe fazy stając sie na przykład: nadprzewodnikami (w tym wysokotemperaturowymi), ferro lub antyferromagnetykami (ważne materiały dla spintroniki), wieloferrotyki (połączenie ferromagnetyka i ferroelektryka), izolatorami Motta, izolatorami Andersona (z gęstym punktowym widmem wzbudzeń) lub nawet tak zwanymi izolatorami topologicznymi. Poznanie stanu podstawowego i widm wzbudzeń oraz termodynamiki tych układów wymaga stosowania zarówno analitycznych metod kwantowej teorii pola jak i nowoczesnych technik obliczeniowo - numerycznych. Elementarne wzbudzenia w tych egzotycznych fazach kwantowych, zwane kwazicząstkami, maja charakter emergentny i wymagają odkrycia w każdej nowej klasie układów z osobna. Takie kwazicząstki mogą mieć ułamkowe ładunki lub spiny różne od spinu elektronów lub mogą odpowiadać stanom złożonym z elektronów i dziur (ekscytony) lub z elektronów i fotonów (polaritony). W praktyce każdy badacz i student może odkryć nową kwazicząstkę i mieć prawo do nadania jej unikatowej nazwy.

Interesują nas też układy o obniżonej wymiarowości jak kropki kwantowe, studnie kwantowe, druty kwantowe czy grafen. Szczególnie interesujące jest poznanie kwazicząstek w takich strukturach.

Poza aspektem czysto poznawczym znajomość elementarnych wzbudzeń w układach elektronowych jest konieczna przy projektowaniu i wytwarzaniu światłowodów, laserów, czy materiałów o ujemnym współczynniku załamania światła lub nanoukładów. Właśnie nanotechnologia jest jednym z najszybciej rozwijających się obszarów zastosowań fizyki materii skondensowanej w ostatnich latach.

Układy obojętnych atomów w pułapkach atomowych czy w sieciach optycznych są także interesująca nas materia skondensowana, mająca cechy kondensatu Bosego-Einsteina, nadpłynności czy magnetyzmu, ale tez także cechy, których nie możemy otrzymać w innych układach krystalicznych, na przykład stany związane trój-fermionowe i ich kondensaty.

---

[1] "Condensed-Matter and Material Physics: The Science of the World Around Us". http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=11967

[2] "To see a world in a grain of sand", Shou-Cheng Zhang, A chapter for John Wheeler's 90's birthday festschrift, http://arxiv.org/abs/hep-th/0210162

[3]"From BCS to the LHC", Steven Weinberg, http://cerncourier.com/cws/article/cern/32522 .

[4]"More is different", P.W. Anderson, Science 177, 393 (1972).