Тяжелый фермионный материал - Heavy fermion material

В физике твердого тела , тяжелофермионные материалы представляют собой тип специфики интерметаллического соединения , содержащие элементы с 4f или 5f электронов в незаполненных электронных зонах . Электроны - это один из типов фермионов , и когда они встречаются в таких материалах, их иногда называют тяжелыми электронами . Материалы с тяжелыми фермионами имеют низкотемпературную теплоемкость , линейный член которой до 1000 раз превышает значение, ожидаемое из модели свободных электронов . Свойства соединений с тяжелыми фермионами часто обусловлены частично заполненными f-орбиталями редкоземельных или актинидных ионов, которые ведут себя как локализованные магнитные моменты . Название «тяжелый фермион» происходит от того факта, что фермион ведет себя так, как если бы его эффективная масса превышала его массу покоя. В случае электронов ниже характеристической температуры (обычно 10 К) электроны проводимости в этих металлических соединениях ведут себя так, как если бы их эффективная масса в 1000 раз превышала массу свободных частиц . Эта большая эффективная масса также отражается в большом вкладе в сопротивление электрон-электронного рассеяния через отношение Кадоваки – Вудса . Поведение тяжелых фермионов было обнаружено в широком спектре состояний, включая металлическое, сверхпроводящее , изолирующее и магнитное состояния. Характерными примерами являются CeCu 6 , CeAl 3 , CeCu 2 Si 2 , YbAl 3 , UBe 13 и UPt 3 .

Исторический обзор

Поведение тяжелых фермионов было обнаружено К. Андресом, Дж. Э. Гребнером и Х. Р. Оттом в 1975 году, которые наблюдали огромные величины линейной удельной теплоемкости в CeAl 3 .

В то время как исследования легированных сверхпроводников привели к выводу, что существование локализованных магнитных моментов и сверхпроводимости в одном материале несовместимо, было показано обратное, когда в 1979 году Франк Стеглих и др. обнаружил тяжелую фермионную сверхпроводимость в материале CeCu 2 Si 2 .

Открытие квантовой критической точки и неферми-жидкостного поведения на фазовой диаграмме соединений с тяжелыми фермионами Х. фон Лёнейзеном и др. в 1994 г. привел к новому росту интереса к исследованию этих соединений. Другим экспериментальным прорывом стала демонстрация (группой Гила Лонзарича ) того, что квантовая критичность в тяжелых фермионах может быть причиной нетрадиционной сверхпроводимости.

Материалы с тяжелыми фермионами играют важную роль в текущих научных исследованиях, выступая в качестве прототипов материалов для нетрадиционной сверхпроводимости, неферми-жидкостного поведения и квантовой критичности. Фактическое взаимодействие между локализованными магнитными моментами и электронами проводимости в соединениях с тяжелыми фермионами до сих пор полностью не изучено и является предметом продолжающихся исследований.

Характеристики

Материалы с тяжелыми фермионами относятся к группе сильно коррелированных электронных систем .

Некоторые члены группы материалов с тяжелыми фермионами становятся сверхпроводящими при температуре ниже критической. Сверхпроводимость нетрадиционна .

При высоких температурах соединения с тяжелыми фермионами ведут себя как обычные металлы, а электроны можно описать как ферми-газ , в котором электроны считаются невзаимодействующими фермионами. В этом случае взаимодействием между f-  электронами, которые представляют локальный магнитный момент, и электронами проводимости можно пренебречь.

Ферми жидкостная теория о Л.Д. Ландау обеспечивает хорошую модель для описания свойств большинства ТФА материалов при низких температурах. В этой теории электроны описываются квазичастицами , которые имеют одинаковые квантовые числа и заряд, но взаимодействие электронов учитывается путем введения эффективной массы , которая отличается от реальной массы свободного электрона.

Оптические свойства

Типичная частотно-зависимая оптическая проводимость тяжелого фермионного соединения. Синяя линия: T> T coh . Красная линия: T <T coh .

Чтобы получить оптические свойства систем с тяжелыми фермионами, эти материалы были исследованы методами оптической спектроскопии . В этих экспериментах образец облучается электромагнитными волнами с настраиваемой длиной волны . Измерение отраженного или прошедшего света выявляет характерные энергии образца.

Выше характерной температуры когерентности материалы с тяжелыми фермионами ведут себя как обычные металлы; т.е. их оптический отклик описывается моделью Друде . Однако по сравнению с хорошим металлом соединения с тяжелыми фермионами при высоких температурах имеют высокую скорость рассеяния из-за большой плотности локальных магнитных моментов (по крайней мере, один f-электрон на элементарную ячейку), которые вызывают (некогерентное) кондо- рассеяние. Из-за высокой скорости рассеяния проводимость на постоянном токе и на низких частотах довольно мала. Спад проводимости (спад Друде) происходит на частоте, соответствующей скорости релаксации.

Ниже локализованные f-  электроны гибридизуются с электронами проводимости. Это приводит к увеличению эффективной массы и возникновению гибридизационной щели. В отличие от изоляторов Кондо , химический потенциал соединений с тяжелыми фермионами находится в зоне проводимости. Эти изменения приводят к двум важным особенностям оптического отклика тяжелых фермионов.

Частотно-зависимая проводимость материалов с тяжелыми фермионами может быть выражена выражением , содержащим эффективную массу и перенормированную скорость релаксации . Из-за большой эффективной массы также увеличивается перенормированное время релаксации, что приводит к узкому спаду Друде на очень низких частотах по сравнению с обычными металлами. Самая низкая такая скорость релаксации Друде, наблюдаемая до сих пор для тяжелых фермионов в диапазоне низких ГГц , была обнаружена в UPd 2 Al 3 .

Щелевая особенность оптической проводимости непосредственно представляет собой гибридизационную щель, которая открывается из-за взаимодействия локализованных f-электронов и электронов проводимости. Поскольку проводимость не исчезает полностью, наблюдаемая щель фактически является псевдощелью . На еще более высоких частотах наблюдается локальный максимум оптической проводимости из-за нормальных межзонных возбуждений.

Теплоемкость

Удельная теплоемкость нормальных металлов

При низкой температуре и для нормальных металлов удельная теплоемкость состоит из теплоемкости электронов, линейно зависящей от температуры, и удельной теплоемкости колебаний кристаллической решетки ( фононов ), которая кубически зависит от температуры.

с константами пропорциональности и .

В указанном выше диапазоне температур электронный вклад составляет основную часть теплоемкости. В модели свободных электронов - простой модельной системе, которая не учитывает взаимодействие электронов - или металлов, которые могут быть описаны с ее помощью, электронная теплоемкость определяется выражением

с постоянной Больцмана , электронной плотностью и энергией Ферми (наивысшая одночастичная энергия занятых электронных состояний). Константа пропорциональности называется коэффициентом Зоммерфельда.

Соотношение теплоемкости и «теплоэффективной массы»

Для электронов с квадратичным соотношением дисперсии (как для газа свободных электронов) энергия Ферми ε F обратно пропорциональна массе частицы m :

где обозначает волновое число Ферми, которое зависит от плотности электронов, и является абсолютным значением волнового числа самого высокого занятого электронного состояния. Таким образом, поскольку параметр Зоммерфельда обратно пропорционален , пропорционален массе частицы и для высоких значений , металл ведет себя как ферми-газ, в котором электроны проводимости имеют высокую тепловую эффективную массу.

Пример: UBe 13 при низких температурах

Экспериментальные результаты для теплоемкости тяжелого фермионного соединения UBe 13 показывают пик при температуре около 0,75 К, который опускается до нуля с большим наклоном, если температура приближается к 0 К. Из-за этого пика коэффициент намного выше, чем модель свободных электронов в этом диапазоне температур. Напротив, выше 6 К теплоемкость этого соединения с тяжелыми фермионами приближается к значению, ожидаемому из теории свободных электронов.

Квантовая критичность

Наличие локального момента и делокализованных электронов проводимости приводит к конкуренции Кондо-взаимодействия (которое способствует немагнитному основному состоянию) и РККИ-взаимодействия (которое генерирует магнитоупорядоченные состояния, обычно антиферромагнитные для тяжелых фермионов). Путем подавления температуры Нееля тяжелой-фермионное антиферромагнетиком вплоть до нуля (например , за счет приложения давления или магнитного поля , или путем изменения состава материала), A квантовый фазовый переход может быть вызван. Для нескольких материалов с тяжелыми фермионами было показано, что такой квантовый фазовый переход может приводить к очень выраженным неферми-жидкостным свойствам при конечных температурах. Такое квантово-критическое поведение также очень подробно изучается в контексте нетрадиционной сверхпроводимости .

Примерами материалов с тяжелыми фермионами с хорошо изученными квантово-критическими свойствами являются CeCu 6 − x Au, CeIn 3 , CePd 2 Si 2 , YbRh 2 Si 2 и CeCoIn 5 .

Некоторые соединения тяжелых фермионов

Рекомендации

дальнейшее чтение

  • Киттель, Чарльз (1996) Введение в физику твердого тела , 7-е изд., John Wiley and Sons, Inc.
  • Мардер, член парламента (2000), Физика конденсированного состояния, John Wiley & Sons, Нью-Йорк.
  • Хьюсон, AC (1993), Проблема Кондо для тяжелых фермионов, Cambridge University Press.
  • Фульде П. (1995), Электронные корреляции в молекулах и твердых телах, Springer, Берлин.
  • Амуся М., Попов К., Шагинян В., Стефанович В. (2015). Теория тяжелых фермионных соединений - теория сильно коррелированных ферми-систем . Серия Спрингера в науках о твердом теле. 182 . Springer. DOI : 10.1007 / 978-3-319-10825-4 . ISBN   978-3-319-10824-7 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )