Квантовые колебания

Конденсированное вещество эксперименты
АРФЫ
АКАР
Рассеяние нейтронов
Рентгеновская спектроскопия
Квантовые колебания
Сканирующая туннельная микроскопия

В конденсированного состояния физике квантовые колебания описывают ряд связанных экспериментальных картирования поверхности Ферми металла методов, используемых для в присутствии сильного магнитного поля . Эти методы основаны на принципе квантования Ландау фермионов, движущихся в магнитном поле. Для газа свободных фермионов в сильном магнитном поле уровни энергии квантованы в зоны, называемые уровнями Ландау , расстояние между которыми пропорционально напряженности магнитного поля. В эксперименте с квантовыми осцилляциями изменяется внешнее магнитное поле, что приводит к прохождению уровней Ландау по поверхности Ферми, что, в свою очередь, приводит к колебаниям электронной плотности состояний на уровне Ферми ; это вызывает колебания многих свойств материала, которые от этого зависят, включая сопротивление ( эффект Шубникова – де Гааса ), сопротивление Холла , и магнитная восприимчивость ( эффект де Гааса-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 недолегированных купратов ведет себя подобно ферми-жидкости и проявляет такие характеристики, как квазичастицы Ландау .

В 2021 году этот метод был использован для наблюдения предсказанного состояния, получившего название «электронно-фононная жидкость». подобное уже известное частично-квазичастичное состояние — экситон-поляритонная жидкость .

Эксперимент

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

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

$\varepsilon _{l}={\frac {eB}{m^{*}}}\left(\ell +{\frac {1}{2}}\right)$

для целочисленных значений $\ell$, где $B$ — внешнее магнитное поле и $e,m^{*}$ – заряд и эффективная масса фермиона соответственно.

Когда внешнее магнитное поле $B$ увеличивается в изолированной системе, уровни Ландау расширяются и в конечном итоге «спадают» с поверхности Ферми. Это приводит к колебаниям наблюдаемой энергии высшего 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 изменяется с постоянной величиной, наблюдаются аналогичные колебания. Колебания происходят всякий раз, когда орбиты Ландау касаются поверхности Ферми. Таким образом можно отобразить полную геометрию сферы Ферми.

Недодопированные купраты

Исследования недостаточно допированных купратных соединений, таких как YBa ₂ Cu ₃ O _{6+ x,} с помощью зондов, таких как ARPES, показали, что эти фазы проявляют характеристики неферми-жидкостей . и, в частности, отсутствие четко определенных квазичастиц Ландау . Однако в этих материалах наблюдаются квантовые осцилляции при низких температурах, если их сверхпроводимость подавляется достаточно сильным магнитным полем. что является свидетельством наличия четко определенных квазичастиц с фермионной статистикой . Таким образом, эти экспериментальные результаты не совпадают с результатами ARPES и других зондов.

См. также

• эффект Хааса-ван Альфена
• Shubnikov–de Haas effect
• Уровни Ландау