중 페르미온 물질

고체 물리학에서, 무거운 페르미온 물질은 채워지지 않은 전자 ^[1]띠에 4f 또는 5f 전자를 가진 원소를 포함하는 금속간 화합물의 특정한 유형입니다.전자는 페르미온의 한 종류이며, 그러한 물질에서 발견될 때, 그것들은 때때로 ^[2]무거운 전자라고 불립니다.무거운 페르미온 물질은 자유 전자 모델에서 예상되는 값보다 최대 1000배 큰 선형 항을 가진 저온 비열을 가집니다.무거운 페르미온 화합물의 특성은 종종 국부적인 자기 모멘트처럼 작용하는 희토류나 악티니드 이온의 부분적으로 채워진 f-오비탈로부터 파생됩니다."헤비 페르미온"이라는 이름은 페르미온이 마치 휴식 질량보다 더 큰 유효 질량을 가진 것처럼 행동한다는 사실에서 유래했습니다.전자의 경우 특성 온도(일반적으로 10K) 이하에서는 이들 금속 화합물의 전도 전자가 자유 입자 질량의 1000배까지 유효 질량을 갖는 것처럼 행동합니다.이 큰 유효 질량은 카도와키를 통해 전자-전자 산란에서 발생하는 저항률에 크게 기여한다.우즈의 비율무거운 페르미온 거동은 금속, 초전도, 절연 및 자기 상태를 포함한 광범위한 상태에서 발견되었습니다.특징적인 예로는 CeCu, CeAl₃, CeCuSi₂₂, YbAl₃, UBe₁₃ 및 UPt가₃ 있습니다₆.

이력 개요

무거운 페르미온 거동은 K에 의해 발견되었다.안드레스, J.E. 그레브너, H.R.1975년 Ott는 ^[3]Ceal에서₃ 선형 비열 용량의 엄청난 규모를 관찰했다.

도프된 초전도체에 대한 연구는 한 물질에서 국부적인 자기 모멘트와 초전도성의 존재가 양립할 수 없다는 결론으로 이어졌지만, 1979년 프랭크 스테글리치 등이 물질 ^[4]CeCuSi에서₂₂ 무거운 페르미온 초전도성을 발견했을 때 그 반대가 나타났다.

1994년 H. von Löhneysen 외 연구진이 중 페르미온 화합물의 위상도에서 양자 임계점과 비페르미 액체 거동을 발견함으로써 이들 ^[5]화합물 연구에 대한 새로운 관심이 높아졌다.또 다른 실험적인 돌파구는 무거운 페르미온의 양자 임계값이 관습적이지 않은 ^[6]초전도성의 원인이 될 수 있다는 것을 (길 론자리히 그룹에 의해) 증명한 것이다.

무거운 페르미온 물질은 기존의 과학 연구에서 중요한 역할을 하며, 비상식적인 초전도성, 비페르미 액체 거동 및 양자 임계성의 원형 물질로 작용합니다.무거운 페르미온 화합물에서의 국부적 자기 모멘트와 전도 전자 사이의 실제 상호작용은 아직 완전히 이해되지 않았으며 현재 진행 중인 연구 주제이다.

특성.

무거운 페르미온 물질은 강하게 상관된 전자계 그룹에 속합니다.

무거운 페르미온 물질 그룹의 몇몇 구성원들은 임계 온도 이하의 초전도 상태가 된다.초전도 현상은 매우 이례적이다.

고온에서 무거운 페르미온 화합물은 일반 금속처럼 작용하며 전자는 페르미 가스로 묘사될 수 있으며, 이 가스에서 전자는 비상호작용 페르미온으로 간주됩니다.이 경우 국부 자기모멘트를 나타내는 f전자와 전도전자와의 상호작용을 무시할 수 있다.

레프 란다우의 페르미 액체 이론은 저온에서 가장 무거운 페르미온 물질의 특성을 설명하는 좋은 모델을 제공합니다.이 이론에서 전자는 양자수와 전하가 같은 준입자에 의해 설명되지만 전자의 상호작용은 자유전자의 실제 질량과 다른 유효질량을 도입함으로써 고려된다.

광학적 특성

무거운 페르미온 화합물의 전형적인 주파수 의존 광전도율.파란색 선:T > T_coh. 빨간색 선:T < T_coh 。

무거운 페르미온 시스템의 광학적 특성을 얻기 위해, 이러한 재료들은 광학 분광학 측정에 ^[7]의해 조사되었다.이러한 실험에서 샘플은 조정 가능한 파장을 가진 전자파로 조사됩니다.반사되거나 투과된 빛을 측정하면 샘플의 특징적인 에너지가 드러납니다.

특징적인 일관성 $T_{\rm {coh}}$ $T_{\rm {coh}}$ $T_{\rm {coh}}$ $T_{\rm {coh}}$ h(\ $displaystyle T_{\rm$ {coh $T_{\rm {coh}}$ 이상에서는 무거운 페르미온 물질은 일반 금속과 같이 작용합니다. 즉, 광학 반응이 드루드 모델에 의해 설명됩니다.그러나 고온에서의 중 페르미온 화합물은 국소 자기 모멘트의 밀도(단위 셀당 적어도 1f 전자)가 높아 콘도 산란을 일으키기 때문에 높은 산란율을 가진다.높은 산란률로 인해 dc 및 저주파에서의 전도율은 다소 낮습니다.컨덕티비티 롤오프(드러드 롤오프)는 이완률에 대응하는 주파수로 발생합니다.

$T_{\rm {coh}}$ $T_{\rm {coh}}$ h (\ $displaystyle T_{\rm {coh$ 이하에서는 국소화된 f 전자가 전도 전자와 교배합니다.이로 인해 유효 질량이 증가하여 하이브리드화 갭이 발생합니다.콘도 절연체와는 대조적으로 무거운 페르미온 화합물의 화학적 잠재력은 전도 대역 내에 있다.이러한 변화는 무거운 페르미온의 ^[1]광학 반응에서 두 가지 중요한 특징으로 이어집니다.

중입자 재료의 주파수 의존 $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ 은 $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ ( ( $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ ) $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ + {\ 2 $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ 2 ( \ $displaystyle$ \ displaystyle \ $displac$ ( \ obe ) = $fr$ { ne ^ { $ne$ ^ { * } { m^ { * } $}$ { \ $frac$ } {\ $frac$ 、 { 1 + { 1 + 1 \ } { 1 \ } } } cont } ^ 2 $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ } } ^ {\ $flot$ } ^ 2 } } $\sigma (\omega )={\frac {ne^{2}}{m^{*}}}{\frac {\tau ^{*}}{1+\omega ^{2}\tau ^{*2}}}$ ed ${\frac {1}{\tau ^{*}}}={\frac {m}{m^{*}}}{\frac {1}{\tau }}$ ${\frac {1}{\tau ^{*}}}={\frac {m}{m^{*}}}{\frac {1}{\tau }}$ ${\frac {1}{\tau ^{*}}}={\frac {m}{m^{*}}}{\frac {1}{\tau }}$ ${\frac {1}{\tau ^{*}}}={\frac {m}{m^{*}}}{\frac {1}{\tau }}$ ${\frac {1}{\tau ^{*}}}={\frac {m}{m^{*}}}{\frac {1}{\tau }}$ m ${\frac {1}{\tau ^{*}}}={\frac {m}{m^{*}}}{\frac {1}{\tau }}$ 1 ${\frac {1}{\tau ^{*}}}={\frac {m}{m^{*}}}{\frac {1}{\tau }}$ {\ { $displaystyle$ \ $frac$ { 1 } = $flac$ { $m$ } { $m$ ^ { * }} } {\ $frac$ {1 $}$ {\ $flac$ } ${\frac {1}{\tau ^{*}}}={\frac {m}{m^{*}}}{\frac {1}{\tau }}$ } ${\frac {1}{\tau ^{*}}}={\frac {m}{m^{*}}}{\frac {1}{\tau }}$ ^[8]。유효 질량이 크기 때문에 매우 낮은 Drude-off 빈도에 비해 재규격화 완화 시간도 향상됩니다.지금까지 무거운 페르미온에서 관찰된 드루드 완화율 중 가장 낮은 GHz 범위는 UpdAl이었다₂₃.^[10]

광학 전도율에서 갭과 같은 특징은 하이브리드화 갭을 직접적으로 나타내며, 이는 국소화된 f 전자와 전도 전자의 상호작용으로 인해 열립니다.전도성이 완전히 소실되는 것은 아니기 때문에 관측된 갭은 ^[11]실제로는 의사맵입니다.더 높은 주파수에서는 정상적인 대역간 ^[1]들뜸으로 인한 광전도율의 국소적인 최대치를 관찰할 수 있습니다.

열용량

일반 금속의 비열

저온 및 일반 금속에서 $C_{P}$ $C_{P}$ P $(\$ 는 $C_{P}$ $온도$ T(\ $style$ T $)$ 와 $T$ 결정 격자 $C_{P,{\rm {ph}}}$ ( $C_{P,{\rm {ph}}}$ P의 비열에 선형적으로 $C_{P,{\rm {el}}}$ 하는 전자 C P $C_{P,{\rm {el}}}$ $C_{P,{\rm {el}}}$ ${\$ {\ $rm {el}}}$ 의 $C_{P,{\rm {el}}}$ 비열로 구성된다. $C_{P,{\rm {ph}}}$ h(\ $displaystyle$ C_ ${P,{\rm {ph}}})$ 는 $C_{P,{\rm {ph}}}$ 온도에 따라 달라집니다.

\displaystyle C_{P}=C_{P,{\rm {el}}+C_{P,{\rm {ph}}=\display T+\beta T^{3}\}

$(\displaystyle\displaystyle$ \displaystyle $)$ 및 $\gamma$ (\ $displaystyle\$ displaystyle $\gamma$ 를 사용하여

위에서 언급한 온도 범위에서 전자적 기여는 비열의 주요 부분입니다.자유 전자 모델 - 전자 상호작용을 무시하는 단순한 모델 시스템 - 또는 그것에 의해 묘사될 수 있는 금속에서, 전자 비열은 다음과 같이 주어진다.

C_{P,{\rm {el}}=\display T=displayfrac {{pi ^{2}}{\frac {k_{\rm {B}}}}{\epsilon _{\rm {F}}}}}}nk_{\rm {\rm {B}}}T

볼츠만 $k_{\rm {B}}$ $k_{\rm {B}}$ B $(\$ 전자 $밀도$ $n$ (\ $style$ n) 및 페르미 에너지 $\epsilon _{\rm {F}}$ F(\ $display \epsilon$ _ ${\rm$ {F $})($ 점유된 전자 상태의 단일 입자 에너지 중 가장 높음).비례 상수 $\gamma$ (\ $displaystyle \gamma)$ 를 $\gamma$ 소머펠트 계수라고 합니다.

열용량과 "열유효질량"의 관계

2차 분산 관계가 있는 전자(자유 전자 가스의 경우)의 경우 페르미 에너지 δ는_F 입자의 질량 m에 반비례합니다.

\ipsilon _{\rm {F}}={hbar ^{2}k_{\rm {F}}{2m}

$k_{\rm {F}}$ 서 $k_{\rm {F}}$ K(\ $displaystyle k_{\rm {F}})$ 는 $k_{\rm {F}}$ 전자 밀도에 따라 달라지는 페르미파 수치이며 점유율이 가장 높은 전자 상태의 파수의 절대값입니다.따라서 Sommerfeld 파라미터 $\gamma$ (\ $displaystyle\gamma)$ 는 $\gamma$ $(\$ 에 반비례하므로 $\gamma$ $(\displaystyle\gamma$ 의 $\gamma$ 높은 값에 따라 금속은 페르미 가스로서 동작한다.트론은 높은 열 유효 질량을 가지고 있다.

예₁₃: 저온에서의 UBe

중 페르미온 화합물₁₃ UBe의 비열에 대한 실험 결과 0.75K 정도의 온도에서 피크는 0K에 가까워지면 높은 기울기와 함께 0으로 내려가는 것으로 나타났습니다.이 피크에 의해 $\gamma$ 는 $\gamma$ 이 온도범위 내의 자유전자모델보다 훨씬 높아집니다.반면 6K 이상에서는 이 무거운 페르미온 화합물의 비열이 자유 전자 이론에서 예상되는 값에 근접합니다.

양자 임계

국소 모멘트 및 비국소화 전도 전자의 존재는 콘도 상호작용(비자기 접지 상태를 선호함)과 RKKY 상호작용(자기적으로 정렬된 상태, 일반적으로 무거운 페르미온에 대한 반강자성 상태를 생성함)의 경쟁으로 이어집니다.중연화 반강자석의 네엘온도를 0으로 억제함으로써(예를 들어 압력 또는 자기장을 가하거나 재료조성을 변화시킴으로써) 양자상 전이를 ^[12]유도할 수 있다.몇몇 중연소 재료의 경우, 그러한 양자 위상 전이가 유한 온도에서 매우 뚜렷한 비연소 액체 특성을 발생시킬 수 있는 것으로 나타났다.이러한 양자 임계 행동은 또한 비상식적인 초전도라는 맥락에서 매우 상세하게 연구된다.

양자 임계 특성이 잘 연구된 중금속 재료의 예로는 CeCuAu_6−x,^[13] CeIn₃,^[6] CePdSi₂₂,^[6] YbRhSi₂₂ 및 CeCoIn이₅ ^[14]^[15]있습니다.

무거운 페르미온 화합물

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추가 정보

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