Квантовые колебания (экспериментальная техника) - Quantum oscillations (experimental technique)


Эксперименты с конденсированным веществом
Левитация магнита на сверхпроводнике 2.jpg
ARPES
МАШИНА
Рассеяние нейтронов
Рентгеновская спектроскопия
Квантовые колебания
Сканирующая туннельная микроскопия

В физике конденсированной сред , квантовые осцилляции описывают ряд связанных с ними экспериментальных методами , используемых для картирования поверхности Ферми в виде металла в присутствии сильного магнитного поля . Эти методы основаны на принципе квантования Ландау из фермионов , движущегося в магнитном поле. Для газа свободных фермионов в сильном магнитном поле уровни энергии квантованы в полосы, называемые уровнями Ландау , разделение которых пропорционально силе магнитного поля. В эксперименте с квантовыми осцилляциями внешнее магнитное поле изменяется, что заставляет уровни Ландау проходить по поверхности Ферми, что, в свою очередь, приводит к колебаниям плотности электронных состояний на уровне Ферми ; это вызывает колебания многих свойств материала, которые зависят от этого, включая сопротивление ( эффект Шубникова-де Гааза ), сопротивление Холла и магнитную восприимчивость ( эффект де Гааза-ван Альфена ). Наблюдение квантовых колебаний в материале считается признаком поведения ферми-жидкости .

Квантовые колебания использовались для изучения высокотемпературных сверхпроводящих материалов, таких как купраты и пниктиды . Исследования с использованием этих экспериментов показали, что основное состояние недодопированных купратов ведет себя аналогично ферми-жидкости и проявляет такие характеристики, как квазичастицы Ландау .

В 2021 году этот метод был использован для наблюдения предсказанного состояния, называемого «электрон-фононная жидкость», аналогичное состояние частицы-квазичастицы, уже известное, является экситон-поляритонной жидкостью.

Эксперимент

Когда магнитное поле применяется к системе свободных заряженных фермионов , их энергетические состояния квантуются в так называемые уровни Ландау, определяемые формулой

Сверхпроводник YBCO в сильном магнитном поле. С увеличением напряженности поля сверхпроводимость подавляется и могут наблюдаться осцилляции Ландау.

для целых чисел , где - внешнее магнитное поле, - заряд и эффективная масса фермиона соответственно.

Когда внешнее магнитное поле увеличивается в изолированной системе, уровни Ландау расширяются и в конечном итоге «спадают» с поверхности Ферми. Это приводит к колебаниям наблюдаемой энергии наивысшего занятого уровня и, следовательно, многих физических свойств (включая холловскую проводимость, удельное сопротивление и восприимчивость). Периодичность этих колебаний можно измерить и, в свою очередь, использовать для определения площади поперечного сечения поверхности Ферми. Если ось магнитного поля менять на постоянную величину, наблюдаются аналогичные колебания. Колебания возникают всякий раз, когда орбиты Ландау касаются поверхности Ферми. Таким образом можно отобразить полную геометрию сферы Ферми.

Недодопированные купраты

Исследования недодопированных купратных соединений, таких как YBa 2 Cu 3 O 6+ x, с помощью зондов, таких как ARPES , показали, что эти фазы демонстрируют характеристики неферми-жидкостей и, в частности, отсутствие четко определенных квазичастиц Ландау . Однако в этих материалах наблюдались квантовые осцилляции при низких температурах, если их сверхпроводимость подавлялась достаточно сильным магнитным полем, что свидетельствует о наличии четко определенных квазичастиц с фермионной статистикой . Таким образом, эти экспериментальные результаты не согласуются с результатами ARPES и других зондов.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ a b Coldea, Амалия (2010). «Квантовые колебания исследуют нормальные электронные состояния новых сверхпроводников» . Философские труды Королевского общества А . 368 (1924): 3503–3517. Bibcode : 2010RSPTA.368.3503C . DOI : 10,1098 / rsta.2010.0089 . PMID  20603364 . Проверено 20 марта 2012 года .
  2. ^ a b c Дуарон-Лейро, Николя; и другие. (2007). «Квантовые колебания и поверхность Ферми в недодопированном ВТСП». Природа . 447 (7144): 565–8. arXiv : 0801.1281 . Bibcode : 2007Natur.447..565D . DOI : 10,1038 / природа05872 . PMID  17538614 . S2CID  4397560 .
  3. ^ Физика конденсированных сред и материалов: наука об окружающем мире . Национальный исследовательский совет. 2010. ISBN 978-0-309-13409-5.
  4. ^ Броун, DM (2008). «Что под куполом?». Физика природы . 4 (3): 170–172. Bibcode : 2008NatPh ... 4..170B . DOI : 10.1038 / nphys909 .
  5. ^ Ян, Хун-Ю; Яо, Сяохань; Плиссон, Винсент; Мозаффари, Ширин; Scheifers, Jan P .; Саввиду, Айкатерини Флесса; Чой, Ын Санг; МакКэндлесс, Грегори Т .; Padlewski, Mathieu F .; Путцке, Карстен; Молл, Филип Дж. У. (2021-09-06). «Свидетельства наличия связанной электрон-фононной жидкости в NbGe2» . Nature Communications . 12 (1): 5292. DOI : 10.1038 / s41467-021-25547-х . ISSN  2041-1723 . PMC  8421384 .
  6. ^ Колледж, Бостон (2021-09-06). «Обнаружен новый металл, в котором электроны текут так же, как вода течет в трубе» . SciTechDaily . Проверено 20 сентября 2021 .
  7. ^ a b Себастьян, Сучитра Э .; Нил Харрисон; Гилберт Г. Лонзарич (2011). «Квантовые колебания в высокотемпературных купратах» . Философские труды Королевского общества А . 369 (1941): 1687–1711. Bibcode : 2011RSPTA.369.1687S . DOI : 10,1098 / rsta.2010.0243 . PMID  21422021 . Проверено 23 марта 2012 года .
  8. ^ а б Ибах, Харальд; Ханс Лют (1995). Физика твердого тела: введение в основы материаловедения . Берлин: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-58573-2.
  9. ↑ Александров, А.С. (2008). «Теория квантовых магнитоколебаний в недодопированных купратных сверхпроводниках». Журнал физики: конденсированное вещество . 20 (19): 192202. arXiv : 0711.0093 . Bibcode : 2008JPCM ... 20s2202A . DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 20/19/192202 . S2CID  117020227 .
  10. ^ Дамаскелли, Андреа; Хуссейн, Захид; Чжи-Сюнь Шэнь (2003). «Фотоэмиссионные исследования купратных сверхпроводников с угловым разрешением». Обзоры современной физики . 75 (2): 473. arXiv : cond-mat / 0208504 . Bibcode : 2003RvMP ... 75..473D . DOI : 10.1103 / RevModPhys.75.473 . S2CID  118433150 .