Эффект Кондо
Физическое явление, вызванное примесями
Эффект Кондо: как золото с небольшим количеством, вероятно, примесей железа, ведет себя при низких температурах
Джун Кондо

В физике эффект Кондо описывает рассеяние электронов проводимости в металле из-за магнитных примесей , что приводит к характерному изменению, т. е. минимуму электрического сопротивления с температурой. [1] Причина эффекта была впервые объяснена Джуном Кондо , который применил теорию возмущений третьего порядка к проблеме для учета рассеяния s-орбитальных электронов проводимости на d-орбитальных электронах, локализованных на примесях ( модель Кондо ). Расчеты Кондо предсказали, что скорость рассеяния и результирующая часть сопротивления должны логарифмически увеличиваться по мере приближения температуры к 0 К. [2] Распространенный на решетку магнитных примесей , эффект Кондо, вероятно, объясняет образование тяжелых фермионов и изоляторов Кондо в интерметаллических соединениях, особенно тех, которые включают редкоземельные элементы, такие как церий , празеодим и иттербий , и актинидные элементы, такие как уран . Эффект Кондо также наблюдался в системах квантовых точек .

Теория

Зависимость удельного сопротивления от температуры , включая эффект Кондо, записывается как ρ {\displaystyle \ро} Т {\displaystyle Т}

ρ ( Т ) = ρ 0 + а Т 2 + с м вн ⁡ μ Т + б Т 5 , {\displaystyle \rho (T)=\rho _{0}+aT^{2}+c_{m}\ln {\frac {\mu }{T}}+bT^{5},}

где - остаточное сопротивление, член показывает вклад свойств ферми-жидкости , а член - от колебаний решетки: , , и - константы, не зависящие от температуры. Джун Кондо вывел третий член с логарифмической зависимостью от температуры и экспериментально наблюдаемой концентрационной зависимостью. ρ 0 {\displaystyle \rho _{0}} а Т 2 {\displaystyle aT^{2}} б Т 5 {\displaystyle bT^{5}} а {\displaystyle а} б {\displaystyle б} с м {\displaystyle c_{м}} μ {\displaystyle \мю}

История

В 1930 году Вальтер Мейсснер и Б. Фойгт [3] [4] наблюдали, что удельное сопротивление номинально чистого золота достигает минимума при 10 К, а аналогично для номинально чистой меди при 2 К. Аналогичные результаты были обнаружены и в других металлах. [5] Кондо описал три загадочных аспекта, которые разочаровали предыдущих исследователей, пытавшихся объяснить этот эффект: [6] [7]

  • Ожидается, что удельное сопротивление действительно чистого металла будет монотонно уменьшаться, поскольку при более низкой температуре уменьшается вероятность электрон-фононного рассеяния.
  • Удельное сопротивление должно быстро выйти на плато, когда температура падает ниже температуры Дебая фононов, ниже которой фононы. [ необходимо разъяснение ] Однако в сплаве AuFe удельное сопротивление продолжает резко расти ниже 0,01 К, хотя, по-видимому, в сплаве AuFe нет столь маленькой энергетической щели.
  • Это явление универсально, поэтому любое объяснение должно применяться в целом.

Эксперименты, проведенные в 1960-х годах Мириам Сарачик в Bell Laboratories, показали, что это явление было вызвано магнитной примесью в номинально чистых металлах. [8] Когда Кондо отправил предварительный просмотр своей статьи Сарачику, Сарачик подтвердил, что данные соответствуют теории. [9]

Решение Кондо было получено с использованием теории возмущений , что привело к расходимости при приближении температуры к 0 К, но более поздние методы использовали непертурбативные методы для уточнения его результата. Эти улучшения дали конечное удельное сопротивление, но сохранили особенность минимума сопротивления при ненулевой температуре. Один определяет температуру Кондо как энергетическую шкалу, ограничивающую справедливость результатов Кондо. Модель примесей Андерсона и сопровождающая ее теория перенормировки Вильсона внесли важный вклад в понимание базовой физики проблемы. [10] На основе преобразования Шриффера–Вольфа было показано, что модель Кондо лежит в режиме сильной связи модели примесей Андерсона. Преобразование Шриффера–Вольфа [11] проецирует возбуждения заряда высокой энергии в модели примесей Андерсона, получая модель Кондо как эффективный гамильтониан.

Схема слабосвязанной высокотемпературной ситуации, в которой магнитные моменты электронов проводимости в металлическом хозяине проходят мимо магнитного момента примеси со скоростью v F , скоростью Ферми, испытывая лишь слабую антиферромагнитную корреляцию вблизи примеси. Напротив, когда температура стремится к нулю, магнитный момент примеси и один момент электрона проводимости связываются очень сильно, образуя общее немагнитное состояние.

Эффект Кондо можно рассматривать как пример асимптотической свободы , то есть ситуации, когда связь становится непертурбативно сильной при низких температурах и низких энергиях. В проблеме Кондо связь относится к взаимодействию между локализованными магнитными примесями и блуждающими электронами.

Примеры

Распространенный на решетку магнитных ионов, эффект Кондо, вероятно, объясняет образование тяжелых фермионов и изоляторов Кондо в интерметаллических соединениях, особенно тех, которые включают редкоземельные элементы, такие как церий , празеодим и иттербий , и актинидные элементы, такие как уран . В материалах с тяжелыми фермионами непертурбативный рост взаимодействия приводит к квазиэлектронам с массами, в тысячи раз превышающими массу свободного электрона, т. е. электроны резко замедляются взаимодействиями. В ряде случаев они являются сверхпроводниками . Считается, что проявление эффекта Кондо необходимо для понимания необычной металлической дельта-фазы плутония . [ требуется цитата ]

Эффект Кондо наблюдался в системах квантовых точек . [12] [13] В таких системах квантовая точка с по крайней мере одним неспаренным электроном ведет себя как магнитная примесь, и когда точка связана с металлической зоной проводимости, электроны проводимости могут рассеиваться от точки. Это полностью аналогично более традиционному случаю магнитной примеси в металле.

Гибридизация зонной структуры и топология плоской зоны в изоляторах Кондо были получены в экспериментах по фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением . [14] [15] [16]

В 2012 году Бери и Купер предположили, что топологический эффект Кондо может быть обнаружен с помощью фермионов Майораны [17] , в то время как было показано, что квантовое моделирование с ультрахолодными атомами также может продемонстрировать этот эффект. [18]

В 2017 году команды из Венского технического университета и Университета Райса провели эксперименты по разработке новых материалов из металлов церия, висмута и палладия в определенных сочетаниях и теоретическую работу, экспериментируя с моделями таких структур, соответственно. Результаты экспериментов были опубликованы в декабре 2017 года [19] и вместе с теоретической работой [20] привели к открытию нового состояния [21] полуметалла Вейля, управляемого корреляцией . Команда назвала этот новый квантовый материал полуметаллом Вейля-Кондо .

Ссылки

  1. ^ Хьюсон, Алекс С.; Джун Кондо (2009). «Эффект Кондо». Scholarpedia . 4 (3): 7529. Bibcode : 2009SchpJ...4.7529H. doi : 10.4249/scholarpedia.7529 .
  2. ^ Кондо, Джун (1964). «Минимум сопротивления в разбавленных магнитных сплавах». Progress of Theoretical Physics . 32 (1): 37–49. Bibcode :1964PThPh..32...37K. doi : 10.1143/PTP.32.37 .
  3. ^ Мейснер, В.; Фойгт, Б. (январь 1930 г.). «Messungen mit Hilfe von flüssigem Helium XI Widerstand der Reinen Metalle in Tiefen Temperature». Аннален дер Физик . 399 (7): 761–797. Бибкод : 1930АнП...399..761М. дои : 10.1002/andp.19303990702. ISSN  0003-3804.
  4. ^ Мейснер, В.; Фойгт, Б. (январь 1930 г.). «Messungen mit Hilfe von flüssigem Helium XI Widerstand der Reinen Metalle in Tiefen Temperature». Аннален дер Физик . 399 (8): 892–936. Бибкод : 1930АнП...399..892М. дои : 10.1002/andp.19303990803. ISSN  0003-3804.
  5. ^ де Хаас, WJ; де Бур, Дж.; ван ден Берг, GJ (1 мая 1934 г.). «Электрическое сопротивление золота, меди и свинца при низких температурах». Физика . 1 (7): 1115–1124. Бибкод : 1934Phy.....1.1115D. дои : 10.1016/S0031-8914(34)80310-2. ISSN  0031-8914.
  6. ^ Кондо, Дж. (1970-01-01), Зейтц, Фредерик; Тернбулл, Дэвид; Эренрайх, Генри (ред.), Теория разбавленных магнитных сплавов, Физика твердого тела, т. 23, Academic Press, стр. 183–281, doi :10.1016/S0081-1947(08)60616-5, ISBN 978-0-12-607723-0, получено 2024-06-01
  7. ↑ Кондо, Джун (январь 2005 г.). «Прилипание к моему кусту». Журнал Физического общества Японии . 74 (1): 1–3. Bibcode : 2005JPSJ...74....1K. doi : 10.1143/JPSJ.74.1. ISSN  0031-9015.
  8. ^ Сарачик, MP; Коренцвит, E.; Лонгинотти, LD (1964-08-17). "Удельное сопротивление сплавов Mo-Nb и Mo-Re, содержащих 1% Fe". Physical Review . 135 (4A): A1041–A1045. Bibcode : 1964PhRv..135.1041S. doi : 10.1103/PhysRev.135.A1041.
  9. ^ Чанг, Кеннет (31 августа 2020 г.). «Myriam Sarachik Never Give Up on Physics» (Мириам Сарачик никогда не сдавалась в физике). The New York Times . ISSN  0362-4331. Архивировано из оригинала 31 августа 2020 г. Получено 13 октября 2021 г.
  10. ^ Андерсон, П. (1961). "Локализованные магнитные состояния в металлах" (PDF) . Physical Review . 124 (1): 41–53. Bibcode : 1961PhRv..124...41A. doi : 10.1103/PhysRev.124.41.[ постоянная мертвая ссылка ]
  11. ^ Schrieffer, JR; Wolff, PA (сентябрь 1966). «Связь между гамильтонианами Андерсона и Кондо». Physical Review . 149 (2): 491–492. Bibcode :1966PhRv..149..491S. doi :10.1103/PhysRev.149.491. S2CID  55838235.
  12. ^ Кроненветт, Сара М. (1998). «Настраиваемый эффект Кондо в квантовых точках». Science . 281 (5376): 540–544. arXiv : cond-mat/9804211 . Bibcode :1998Sci...281..540C. doi :10.1126/science.281.5376.540. PMID  9677192. S2CID  5139144.
  13. ^ "Возрождение Кондо" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2017-05-17 . Получено 2016-08-19 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  14. ^ Неупане, Мадхаб; Алидуст, Насер; Белопольский, Илья; Бянь, Гуан; Сюй, Су-Ян; Ким, Дэ Чжон; Шибаев Павел П.; Санчес, Дэниел С.; Чжэн, Хао; Чанг, Тай-Ронг; Дженг, Хорнг-Тай; и др. (18 сентября 2015 г.). «Топология поверхности Ферми и распределение горячих точек в системе решетки Кондо CeB6». Физический обзор B . 92 (10): 104420. arXiv : 1411.0302 . Бибкод : 2015PhRvB..92j4420N. дои : 10.1103/PhysRevB.92.104420 .
  15. ^ Neupane, M.; Alidoust, N.; Xu, S.-Y.; Kondo, T.; Ishida, Y.; Kim, DJ; Liu, Chang; Belopolski, I.; Jo, YJ; Chang, T.-R.; Jeng, H.-T. (2013). "Поверхностная электронная структура топологического кандидата на кондо-изолятор коррелированной электронной системы SmB6". Nature Communications . 4 (1): 2991. arXiv : 1312.1979 . Bibcode :2013NatCo...4.2991N. doi : 10.1038/ncomms3991 . ISSN  2041-1723. PMID  24346502.
  16. ^ Хасан, М. Захид; Сюй, Су-Ян; Неупане, Мадхаб (2015), «Топологические изоляторы, топологические дираковские полуметаллы, топологические кристаллические изоляторы и топологические изоляторы Кондо», Топологические изоляторы , John Wiley & Sons, Ltd., стр. 55–100, doi :10.1002/9783527681594.ch4, ISBN 978-3-527-68159-4, получено 2020-04-26
  17. ^ Бери, Б.; Купер, Н. Р. (2012). «Топологический эффект Кондо с фермионами Майораны». Physical Review Letters . 109 (15): 156803. arXiv : 1206.2224 . Bibcode : 2012PhRvL.109o6803B. doi : 10.1103/PhysRevLett.109.156803. PMID  23102351. S2CID  45712589.
  18. ^ Buccheri, F.; Bruce, GD; Trombettoni, A.; Cassettari, D.; Babujian, H.; Korepin, VE; Sodano, P. (2016-01-01). "Голографические оптические ловушки для топологических устройств Кондо на основе атомов". New Journal of Physics . 18 (7): 075012. arXiv : 1511.06574 . Bibcode : 2016NJPh...18g5012B. doi : 10.1088/1367-2630/18/7/075012. ISSN  1367-2630. S2CID  118610269.
  19. ^ Джсабер, С.; Прочаска, Л.; Сидоренко А.; Эгучи, Г.; Свагера, Р.; Ваас, М.; Прокофьев А.; Си, К.; Пашен, С. (16 июня 2017 г.). «Преобразование кондо-изолятора в полуметалл, настроенное с помощью спин-орбитальной связи». Письма о физических отзывах . 118 (24): 246601. arXiv : 1612.03972 . Бибкод : 2017PhRvL.118x6601D. doi : 10.1103/PhysRevLett.118.246601 . ISSN  0031-9007. ПМИД  28665644.
  20. ^ Lai, HH; Grefe, SE; Paschen, S.; Si, Q. (2012). «Полуметалл Вейля–Кондо в системах с тяжелыми фермионами». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (1): 93–97. arXiv : 1206.2224 . Bibcode :2018PNAS..115...93L. doi : 10.1073/pnas.1715851115 . PMC 5776817 . PMID  29255021. 
  21. ^ Габбатисс, Дж. (2017) «Ученые открывают совершенно новый материал, который невозможно объяснить с помощью классической физики», The Independent

Дальнейшее чтение

  • Эффект Кондо - 40 лет после открытия - специальный выпуск журнала Физического общества Японии
  • Кондо, Джун (2012). Физика разбавленных магнитных сплавов . Кембридж; Нью-Йорк: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-02418-2.. Монография самого Кондо.
  • Хьюсон, Александр К. (2003). Проблема Кондо для тяжелых фермионов . Кембриджские исследования по магнетизму (1-е издание в мягкой обложке (с корр.), переведенное в цифровую печать в изд. 2003 г.). Кембридж: Cambridge Univ. Press. ISBN 978-0-521-59947-4.
  • Кокс, Д. Л.; Завадовски, А. (1999). Экзотические эффекты Кондо в металлах: магнитные ионы в кристаллическом электрическом поле и туннельные центры . Лондон: Taylor & Francis. ISBN 978-0-7484-0889-4.Монография о новых версиях эффекта Кондо в немагнитных контекстах, особенно
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Kondo_effect&oldid=1233664418"