Эффект Кондо

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 , приводящее к характерному изменению, т.е. минимуму удельного электрического сопротивления с температурой. Причину эффекта впервые объяснил Джун Кондо третьего порядка , который применил к проблеме теорию возмущений для учета рассеяния s-орбитальных электронов проводимости на d-орбитальных электронах, локализованных на примесях ( модель Кондо ). Расчет Кондо предсказал, что скорость рассеяния и результирующая часть удельного сопротивления должны логарифмически увеличиваться по мере приближения температуры к 0 К. Распространенный на решетку магнитных примесей , эффект Кондо, вероятно, объясняет образование тяжелых фермионов и изоляторов Кондо в интерметаллических соединениях, особенно в тех, которые содержат 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 $\rho$ по температуре $T$, включая эффект Кондо, записывается как

$\rho (T)=\rho _{0}+aT^{2}+c_{m}\ln {\frac {\mu }{T}}+bT^{5},$

где $\rho _{0}$ – остаточное удельное сопротивление, член $aT^{2}$ показывает вклад свойств ферми-жидкости , а член $bT^{5}$ происходит от колебаний решетки: $a$, $b$, $c_{m}$ и $\mu$ являются константами, не зависящими от температуры. Джун Кондо получил третий член с логарифмической зависимостью от температуры и экспериментально наблюдаемой зависимостью от концентрации.

История

В 1930 году Вальтер Мейснер и Б. Фойгт заметил, что удельное сопротивление номинально чистого золота достигает минимума при 10 К, а для номинально чистой меди - при 2 К. Аналогичные результаты были обнаружены и для других металлов. Кондо описал три загадочных аспекта, которые расстраивали предыдущих исследователей, пытавшихся объяснить этот эффект:

• Ожидается, что удельное сопротивление действительно чистого металла будет монотонно уменьшаться, поскольку с понижением температуры снижается вероятность электрон-фононного рассеяния.
• Удельное сопротивление должно быстро выходить на плато, когда температура падает ниже температуры Дебая фононов, ниже которой фононы. Однако в сплаве AuFe удельное сопротивление продолжает резко возрастать ниже 0,01 К, хотя, похоже, в сплаве AuFe не было такой маленькой энергетической щели.
• Это явление универсально, поэтому любое объяснение должно применяться в целом.

Эксперименты 1960-х годов Мириам Сарачик из Bell Laboratories показали, что это явление вызвано магнитными примесями в номинально чистых металлах. Когда Кондо отправил Сарачику предварительный просмотр своей статьи, Сарачик подтвердил, что данные соответствуют теории.

Решение Кондо было получено с использованием теории возмущений , что привело к расхождению при приближении температуры к 0 К, но более поздние методы использовали непертурбативные методы для уточнения его результата. Эти улучшения обеспечили конечное удельное сопротивление, но сохранили особенность минимума сопротивления при ненулевой температуре. Один определяет температуру Кондо как энергетическую шкалу, ограничивающую достоверность результатов Кондо. Модель примеси Андерсона и сопровождающая ее Вильсона теория перенормировки внесли важный вклад в понимание основной физики проблемы. На основе преобразования Шриффера-Вольфа было показано, что модель Кондо находится в режиме сильной связи модели примеси Андерсона. Преобразование Шриффера-Вольфа. проецирует высокоэнергетические зарядовые возбуждения в примесной модели Андерсона, получая модель Кондо как эффективный гамильтониан.

Схема слабосвязанной высокотемпературной ситуации, в которой магнитные моменты электронов проводимости в металлической основе проходят мимо магнитного момента примеси со скоростью v _F , скорости Ферми, испытывая лишь слабую антиферромагнитную корреляцию вблизи примеси. Напротив, когда температура стремится к нулю, магнитный момент примеси и один момент электрона проводимости очень сильно связываются, 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 задаче Кондо под связью понимается взаимодействие между локализованными магнитными примесями и коллективизированными электронами.

Примеры

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

Эффект Кондо наблюдался в системах квантовых точек . В таких системах квантовая точка, по крайней мере, с 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 плоская зонная топология в изоляторах Кондо были обнаружены в экспериментах по фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением .

В 2012 году Бери и Купер предположили, что топологический эффект Кондо можно обнаружить с помощью майорановских фермионов . хотя было показано, что квантовое моделирование с ультрахолодными атомами также может продемонстрировать этот эффект.

В 2017 году команды Венского технологического университета и Университета Райса провели эксперименты по разработке новых материалов из металлов церия, висмута и палладия в определенных комбинациях, а также теоретические работы, экспериментируя с моделями таких структур соответственно. Результаты экспериментов были опубликованы в декабре 2017 года. и, наряду с теоретической работой, привести к открытию нового государства, управляемый корреляцией полуметалл Вейля, . Команда назвала этот новый квантовый материал Вейля-Кондо полуметаллом .

Дальнейшее чтение

• Эффект Кондо - 40 лет после открытия - специальный выпуск журнала Физического общества Японии
• Кондо, июнь (2012). Физика разбавленных магнитных сплавов . Кембридж; Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1-107-02418-2 . . Монография самого Кондо.
• Хьюсон, Александр К. (2003). Проблема Кондо для тяжелых фермионов . Кембриджские исследования по магнетизму (1-е изд. в мягкой обложке (с корр.), переведено в цифровую печать, изд. 2003 г.). Кембридж: Кембриджский университет. Нажимать. ISBN  978-0-521-59947-4 .
• Кокс, Д.Л.; Завадовский, А. (1999). Экзотические эффекты Кондо в металлах: магнитные ионы в кристаллическом электрическом поле и туннельные центры . Лондон: Тейлор и Фрэнсис. ISBN  978-0-7484-0889-4 . Монография о новых версиях эффекта Кондо в немагнитном контексте, особенно