¿Qué es un gas de electrones libres y cuáles son sus propiedades básicas?

El gas de electrones libres es un modelo de mecánica cuántica que utiliza el modelo de gas ideal para describir las propiedades de los sistemas de fermiones. En este modelo, los estados cuánticos en los que se encuentran las partículas se pueden caracterizar por el momento que poseen. Para los sistemas periódicos, como los electrones que se mueven en la red de átomos metálicos, el concepto de "cuasi-momento" se puede introducir de manera similar para caracterizar el estado cuántico (ver la entrada Ondas de Bloch). Independientemente del modelo anterior, su estado cuántico con energía de Fermi se encuentra en una determinada superficie en el espacio de impulso, que se llama superficie de Fermi. La superficie de Fermi de un gas de electrones libre es una superficie esférica; la superficie de Fermi de un sistema periódico suele ser una superficie torcida (ver la entrada Zona de Brillouin). El volumen encerrado por la superficie de Fermi determina la cantidad de electrones en el sistema, y ​​la topología de la superficie de Fermi está directamente relacionada con varias propiedades conductoras del metal (como la conductividad). El estudio de la superficie de Fermi a veces se denomina "Fermiología". Hoy en día, la superficie de Fermi de la mayoría de los metales ha sido profundamente estudiada teórica y experimentalmente.

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