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固体物理学は、固体化学、量子力学、結晶学、電磁気学、冶金学などの手法を用いて、剛体物質、すなわち固体を研究する学問です。これは凝縮系物理学の中で最も大きな分野です。固体物理学は、固体物質の原子スケールの特性から、その大きなスケールの特性がどのように生じるかを研究します。したがって、固体物理学は材料科学の理論的基礎を形成します。固体化学とともに、トランジスタや半導体の技術にも直接応用されています。
固体は、密に詰まった原子から構成され、原子同士が激しく相互作用します。これらの相互作用によって、固体の機械的特性（硬度や弾性など）、熱的特性、電気的特性、磁気的特性、光学的特性が生まれます。原子の配列は、材料の種類や形成時の条件によって異なり、規則的な幾何学的パターン（金属や通常の氷などの結晶性固体）の場合もあれば、不規則なパターン（一般的な窓ガラスなどの非晶質固体）の場合もあります。
固体物理学の理論の大部分は、結晶に焦点を当てています。これは主に、結晶における原子の周期性（結晶の決定的な特徴）が数学的モデリングを容易にするためです。同様に、結晶性材料は、工学的目的に利用できる電気的、磁気的、光学的、または機械的特性をしばしば備えています。
結晶中の原子間の力は、さまざまな形態をとります。例えば、塩化ナトリウム（食塩）の結晶では、結晶はイオン化したナトリウムと塩素から構成され、イオン結合によって結合しています。他の結晶では、原子は電子を共有して共有結合を形成します。金属では、電子は結晶全体で共有され、金属結合を形成します。最後に、希ガスはこれらの結合形態のいずれにも属しません。固体状態の希ガスは、各原子上の電子電荷雲の分極によって生じるファンデルワールス力によって結合しています。固体の種類による違いは、結合形態の違いに起因します。
固体の物理的性質は数世紀にわたって科学研究の一般的な対象であったが、固体物理学という独立した分野は、特にアメリカ物理学会内に固体物理学部門（DSSP）が設立された1940年代まで出現しなかった。DSSPは産業界の物理学者を対象としており、固体物理学は固体の研究によって可能になった技術的応用と結びついていた。1960年代初頭までに、DSSPはアメリカ物理学会最大の部門となった。[ 1 ] [ 2 ]
第二次世界大戦後、ヨーロッパ、特にイギリス、ドイツ、ソビエト連邦で固体物理学者の大規模なコミュニティが出現しました。[ 3 ]米国とヨーロッパでは、半導体、超伝導、核磁気共鳴、その他さまざまな現象の研究を通じて、固体物理学が重要な分野となりました。冷戦初期には、固体物理学の研究は固体に限定されないことが多く、1970年代と1980年代には、固体、液体、プラズマ、その他の複雑な物質を調査するために使用される共通の技術を中心に組織化された凝縮系物理学の分野が物理学者によって創設されました。 [ 1 ]今日、固体物理学は、規則的な結晶格子を持つ固体の特性に焦点を当てた、凝縮系物理学のサブ分野として広く考えられており、ハード凝縮系と呼ばれることもあります。
物質の多くの特性は、その結晶構造によって影響を受ける。この構造は、 X線結晶解析、中性子回折、電子回折など、さまざまな結晶学的技術を用いて調べることができる。
結晶性固体材料における個々の結晶の大きさは、材料の種類や形成時の条件によって異なります。日常生活で目にする結晶性材料のほとんどは多結晶性であり、個々の結晶は顕微鏡レベルの大きさですが、巨視的な単結晶は天然（例：ダイヤモンド）または人工的に生成することができます。
実際の結晶には、理想的な配列からの欠陥や不規則性が存在し、これらの欠陥こそが、実際の物質の電気的および機械的特性の多くを決定的に左右するのである。
固体物理学では、電気伝導性や比熱容量といった物質の特性が研究されています。電気伝導の初期のモデルの一つにドルーデモデルがあり、これは固体中の電子に運動論を適用したものです。ドルーデモデルは、物質が不動の正イオンと、古典的な非相互作用電子からなる「電子ガス」で構成されていると仮定することで、金属における電気伝導率、熱伝導率、ホール効果を説明することができましたが、電子の比熱容量を大幅に過大評価していました。
アーノルド・ゾンマーフェルトは、古典的なドルーデモデルと量子力学を組み合わせた自由電子モデル（またはドルーデ＝ゾンマーフェルトモデル）を提唱した。このモデルでは、電子はフェルミ気体、すなわち量子力学的なフェルミ＝ディラック統計に従う粒子の気体としてモデル化される。自由電子モデルは金属の比熱容量の予測精度を向上させたが、絶縁体の存在を説明することはできなかった。
ほぼ自由電子モデルは、結晶固体中の伝導電子とイオン間の相互作用をモデル化するために、弱い周期的な摂動を取り入れた自由電子モデルの改良版である。電子バンドの概念を導入することで、この理論は導体、半導体、絶縁体の存在を説明する。
ほぼ自由電子モデルは、周期ポテンシャルの場合のシュレーディンガー方程式を書き換えます。この場合の解はブロッホ状態として知られています。ブロッホの定理は周期ポテンシャルにのみ適用され、結晶中の原子の絶え間ないランダムな動きは周期性を乱すため、このブロッホの定理の使用は近似にすぎませんが、非常に価値のある近似であることが証明されており、これがないとほとんどの固体物理学の解析は扱いが困難になります。周期性からのずれは、量子力学的摂動理論によって扱われます。
固体物理学における現代の研究テーマには、以下のようなものがある。