Эффект 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. ^[1]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. ^[2] 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 ^[3]^[4] 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. ^[5] Кондо описал три загадочных аспекта, которые расстраивали предыдущих исследователей, пытавшихся объяснить этот эффект: ^[6]^[7]

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. ^{[ нужны разъяснения ]} 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. ^[8] Когда Кондо отправил Сарачику предварительный просмотр своей статьи, Сарачик подтвердил, что данные соответствуют теории. ^[9]

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. ^[10] На основе преобразования Шриффера-Вольфа было показано, что модель Кондо находится в режиме сильной связи модели примеси Андерсона. Преобразование Шриффера-Вольфа. ^[11] 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 тяжелых фермионных материалах 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 . ^{[ нужна ссылка ]}

Эффект Кондо наблюдался в системах квантовых точек . ^[12]^[13] 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 . ^[14]^[15]^[16]

В 2012 году Бери и Купер предположили, что топологический эффект Кондо можно обнаружить с помощью майорановских фермионов . ^[17] хотя было показано, что квантовое моделирование с ультрахолодными атомами также может продемонстрировать этот эффект. ^[18]

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. ^[19] и, наряду с теоретической работой, ^[20] привести к открытию нового государства, ^[21] управляемый корреляцией полуметалл Вейля, . Команда назвала этот новый квантовый материал Вейля-Кондо полуметаллом .

Ссылки

^ Хьюсон, Алекс С; Джун Кондо (2009). «Эффект Кондо» . Схоларпедия . 4 (3): 7529. Бибкод : 2009SchpJ...4.7529H . doi : 10.4249/scholarpedia.7529 .
^ Кондо, Джун (1964). «Минимум сопротивления в разбавленных магнитных сплавах» . Успехи теоретической физики . 32 (1): 37–49. Бибкод : 1964PThPh..32...37K . дои : 10.1143/PTP.32.37 .
^ Мейснер, В.; Фойгт, Б. (январь 1930 г.). «Измерения с использованием жидкого гелия XI сопротивления чистых металлов при низких температурах» . Анналы физики . 399 (7): 761–797. Бибкод : 1930АнП...399..761М . дои : 10.1002/andp.19303990702 . ISSN 0003-3804 .
^ Мейснер, В.; Фойгт, Б. (январь 1930 г.). «Измерения с использованием жидкого гелия XI сопротивления чистых металлов при низких температурах» . Анналы физики . 399 (8): 892–936. Бибкод : 1930АнП...399..892М . дои : 10.1002/andp.19303990803 . ISSN 0003-3804 .
^ 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 .
^ Кондо, Дж. (1970-01-01), Зейтц, Фредерик; Тернбулл, Дэвид; Эренрайх, Генри (ред.), Теория разбавленных магнитных сплавов , Физика твердого тела, том. 23, Academic Press, стр. 183–281, номер документа : 10.1016/S0081-1947(08)60616-5 , ISBN. 978-0-12-607723-0 , получено 1 июня 2024 г.
^ Кондо, Джун (январь 2005 г.). «Придерживаюсь своего куста» . Журнал Физического общества Японии . 74 (1): 1–3. Бибкод : 2005JPSJ...74....1K . дои : 10.1143/JPSJ.74.1 . ISSN 0031-9015 .
^ Сарачик, депутат; Коренцвит, Э.; Лонгинотти, LD (17 августа 1964 г.). «Удельное сопротивление сплавов Mo-Nb и Mo-Re, содержащих 1% Fe» . Физический обзор . 135 (4А): А1041–А1045. Бибкод : 1964PhRv..135.1041S . дои : 10.1103/PhysRev.135.A1041 .
^ Чанг, Кеннет (31 августа 2020 г.). «Мириам Сарачик никогда не разочаровывалась в физике» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Архивировано из оригинала 31 августа 2020 года . Проверено 13 октября 2021 г.
^ Андерсон, П. (1961). «Локализованные магнитные состояния в металлах» (PDF) . Физический обзор . 124 (1): 41–53. Бибкод : 1961PhRv..124...41A . дои : 10.1103/PhysRev.124.41 . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Шриффер-младший; Вольф, Пенсильвания (сентябрь 1966 г.). «Отношения между гамильтонианами Андерсона и Кондо». Физический обзор . 149 (2): 491–492. Бибкод : 1966PhRv..149..491S . дои : 10.1103/PhysRev.149.491 . S2CID 55838235 .
^ Кроненветт, Сара М. (1998). «Настраиваемый эффект Кондо в квантовых точках». Наука . 281 (5376): 540–544. arXiv : cond-mat/9804211 . Бибкод : 1998Sci...281..540C . дои : 10.1126/science.281.5376.540 . ПМИД 9677192 . S2CID 5139144 .
^ «Возрождение Кондо» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 мая 2017 г. Проверено 19 августа 2016 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ 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 CeB ₆ » . Физический обзор B . 92 (10): 104420. arXiv : 1411.0302 . Бибкод : 2015PhRvB..92j4420N . дои : 10.1103/PhysRevB.92.104420 .
^ Неупан, М.; Алидуст, Н.; Сюй, С.-Ю.; Кондо, Т.; Исида, Ю.; Ким, диджей; Лю, Чанг; Белопольский И.; Джо, YJ; Чанг, Т.-Р.; Дженг, Х.-Т. (2013). "Поверхностная электронная структура топологического кандидата в кондоизоляторы коррелированной электронной системы SmB ₆ " . Природные коммуникации . 4 (1): 2991. arXiv : 1312.1979 . Бибкод : 2013NatCo...4.2991N . дои : 10.1038/ncomms3991 . ISSN 2041-1723 . ПМИД 24346502 .
^ Хасан, М. Захид; Сюй, Су-Ян; Неупане, Мадхаб (2015), «Топологические изоляторы, топологические полуметаллы Дирака, 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 26 апреля 2020 г.
^ Бери, Б.; Купер, Северная Каролина (2012). «Топологический эффект Кондо с майорановскими фермионами». Письма о физических отзывах . 109 (15): 156803. arXiv : 1206.2224 . Бибкод : 2012PhRvL.109o6803B . doi : 10.1103/PhysRevLett.109.156803 . ПМИД 23102351 . S2CID 45712589 .
^ Буккери, Ф.; Брюс, Грузия; Тромбеттони, А.; Кассеттари, Д.; Бабуджян, Х.; Корепин В.Е.; Содано, П. (01 января 2016 г.). «Голографические оптические ловушки для топологических устройств Кондо на основе атомов». Новый журнал физики . 18 (7): 075012. arXiv : 1511.06574 . Бибкод : 2016NJPh...18g5012B . дои : 10.1088/1367-2630/18/7/075012 . ISSN 1367-2630 . S2CID 118610269 .
^ 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 .
^ Лай, Х.Х.; Грефе, ГП; Пашен, С.; Си, К. (2012). «Полуметалл Вейля – Кондо в системах тяжелых фермионов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (1): 93–97. arXiv : 1206.2224 . Бибкод : 2018PNAS..115...93L . дои : 10.1073/pnas.1715851115 . ПМЦ 5776817 . ПМИД 29255021 .
^ Габбатисс, Дж. (2017) «Ученые открывают совершенно новый материал, который не может быть объяснен классической физикой» , The Independent

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

[1] Хьюсон, Алекс С; Джун Кондо (2009). «Эффект Кондо» . Схоларпедия . 4 (3): 7529. Бибкод : 2009SchpJ...4.7529H . doi : 10.4249/scholarpedia.7529 .

[2] Кондо, Джун (1964). «Минимум сопротивления в разбавленных магнитных сплавах» . Успехи теоретической физики . 32 (1): 37–49. Бибкод : 1964PThPh..32...37K . дои : 10.1143/PTP.32.37 .

[3] Мейснер, В.; Фойгт, Б. (январь 1930 г.). «Измерения с использованием жидкого гелия XI сопротивления чистых металлов при низких температурах» . Анналы физики . 399 (7): 761–797. Бибкод : 1930АнП...399..761М . дои : 10.1002/andp.19303990702 . ISSN 0003-3804 .

[4] Мейснер, В.; Фойгт, Б. (январь 1930 г.). «Измерения с использованием жидкого гелия XI сопротивления чистых металлов при низких температурах» . Анналы физики . 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, том. 23, Academic Press, стр. 183–281, номер документа : 10.1016/S0081-1947(08)60616-5 , ISBN. 978-0-12-607723-0 , получено 1 июня 2024 г.

[7] Кондо, Джун (январь 2005 г.). «Придерживаюсь своего куста» . Журнал Физического общества Японии . 74 (1): 1–3. Бибкод : 2005JPSJ...74....1K . дои : 10.1143/JPSJ.74.1 . ISSN 0031-9015 .

[8] Сарачик, депутат; Коренцвит, Э.; Лонгинотти, LD (17 августа 1964 г.). «Удельное сопротивление сплавов Mo-Nb и Mo-Re, содержащих 1% Fe» . Физический обзор . 135 (4А): А1041–А1045. Бибкод : 1964PhRv..135.1041S . дои : 10.1103/PhysRev.135.A1041 .

[9] Чанг, Кеннет (31 августа 2020 г.). «Мириам Сарачик никогда не разочаровывалась в физике» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Архивировано из оригинала 31 августа 2020 года . Проверено 13 октября 2021 г.

[10] Андерсон, П. (1961). «Локализованные магнитные состояния в металлах» (PDF) . Физический обзор . 124 (1): 41–53. Бибкод : 1961PhRv..124...41A . дои : 10.1103/PhysRev.124.41 . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[11] Шриффер-младший; Вольф, Пенсильвания (сентябрь 1966 г.). «Отношения между гамильтонианами Андерсона и Кондо». Физический обзор . 149 (2): 491–492. Бибкод : 1966PhRv..149..491S . дои : 10.1103/PhysRev.149.491 . S2CID 55838235 .

[12] Кроненветт, Сара М. (1998). «Настраиваемый эффект Кондо в квантовых точках». Наука . 281 (5376): 540–544. arXiv : cond-mat/9804211 . Бибкод : 1998Sci...281..540C . дои : 10.1126/science.281.5376.540 . ПМИД 9677192 . S2CID 5139144 .

[13] «Возрождение Кондо» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 мая 2017 г. Проверено 19 августа 2016 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |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 CeB ₆ » . Физический обзор B . 92 (10): 104420. arXiv : 1411.0302 . Бибкод : 2015PhRvB..92j4420N . дои : 10.1103/PhysRevB.92.104420 .

[15] Неупан, М.; Алидуст, Н.; Сюй, С.-Ю.; Кондо, Т.; Исида, Ю.; Ким, диджей; Лю, Чанг; Белопольский И.; Джо, YJ; Чанг, Т.-Р.; Дженг, Х.-Т. (2013). "Поверхностная электронная структура топологического кандидата в кондоизоляторы коррелированной электронной системы SmB ₆ " . Природные коммуникации . 4 (1): 2991. arXiv : 1312.1979 . Бибкод : 2013NatCo...4.2991N . дои : 10.1038/ncomms3991 . ISSN 2041-1723 . ПМИД 24346502 .

[16] Хасан, М. Захид; Сюй, Су-Ян; Неупане, Мадхаб (2015), «Топологические изоляторы, топологические полуметаллы Дирака, 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 26 апреля 2020 г.

[17] Бери, Б.; Купер, Северная Каролина (2012). «Топологический эффект Кондо с майорановскими фермионами». Письма о физических отзывах . 109 (15): 156803. arXiv : 1206.2224 . Бибкод : 2012PhRvL.109o6803B . doi : 10.1103/PhysRevLett.109.156803 . ПМИД 23102351 . S2CID 45712589 .

[18] Буккери, Ф.; Брюс, Грузия; Тромбеттони, А.; Кассеттари, Д.; Бабуджян, Х.; Корепин В.Е.; Содано, П. (01 января 2016 г.). «Голографические оптические ловушки для топологических устройств Кондо на основе атомов». Новый журнал физики . 18 (7): 075012. arXiv : 1511.06574 . Бибкод : 2016NJPh...18g5012B . дои : 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] Лай, Х.Х.; Грефе, ГП; Пашен, С.; Си, К. (2012). «Полуметалл Вейля – Кондо в системах тяжелых фермионов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (1): 93–97. arXiv : 1206.2224 . Бибкод : 2018PNAS..115...93L . дои : 10.1073/pnas.1715851115 . ПМЦ 5776817 . ПМИД 29255021 .

[21] Габбатисс, Дж. (2017) «Ученые открывают совершенно новый материал, который не может быть объяснен классической физикой» , The Independent

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]