Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эксперименты с конденсированным веществом
Левитация магнита на сверхпроводнике 2.jpg
ARPES
АВТОМОБИЛЬ
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 . [1] Эти методы основаны на принципе квантования Ландау из фермионов , движущегося в магнитном поле. [2] Для газа свободных фермионов в сильном магнитном поле уровни энергии квантованы в зоны, называемые уровнями Ландау., расстояние между которыми обратно пропорционально напряженности магнитного поля. В эксперименте с квантовыми осцилляциями изменяется внешнее магнитное поле, которое заставляет уровни Ландау проходить по поверхности Ферми, что, в свою очередь, приводит к колебаниям плотности электронных состояний на уровне Ферми ; это производит колебания в многочисленных свойств материала , которые зависят от этого, в том числе сопротивление ( Шубникова-де - Гааза ), холловского сопротивления , [2] и магнитной восприимчивости ( де Гааза-ван Альфена ). Наблюдение квантовых колебаний в материале считается признаком поведения ферми-жидкости .[3]

Квантовые колебания использовались для изучения высокотемпературных сверхпроводящих материалов, таких как купраты и пниктиды . [1] Исследования с использованием этих экспериментов показали, что основное состояние недодопированных купратов ведет себя аналогично ферми-жидкости и проявляет такие характеристики, как квазичастицы Ландау . [4]

Эксперимент [ править ]

Когда магнитное поле применяется к системе свободных заряженных фермионов , их энергетические состояния квантуются в так называемые уровни Ландау, определяемые формулой [5]

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. [6] Если ось магнитного поля изменяется с постоянной величиной, наблюдаются аналогичные колебания. Колебания возникают всякий раз, когда орбиты Ландау касаются поверхности Ферми. Таким образом может быть отображена полная геометрия сферы Ферми. [6]

Недодопированные купраты [ править ]

Исследования недодопированного купрата таких соединений, как YBa 2 Cu 3 O 6+ х через зонды , такие как ARPES показали , что эти фазы показывают характеристики нефермите жидкости , [7] и , в частности, отсутствие четко определенный Ландау квазичастицы . [8] Однако квантовые осцилляции наблюдались в этих материалах при низких температурах, если их сверхпроводимость подавлялась достаточно сильным магнитным полем, [2] что свидетельствует о наличии четко определенных квазичастиц с фермионной статистикой.. Таким образом, эти экспериментальные результаты не согласуются с результатами ARPES и других зондов. [5]

См. Также [ править ]

  • Эффект Де Хааса – ван Альфена
  • Эффект Шубникова-де Гааза
  • Уровни Ландау

Ссылки [ править ]

  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. ^ 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 . 
  6. ^ а б Ибах, Харальд; Ханс Лют (1995). Физика твердого тела: введение в основы материаловедения . Берлин: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-58573-2.
  7. ↑ 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 . 
  8. ^ 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 .