160. obljetnica rođenja Andrije Mohorovičića        21. travnja - DAN PMF-a

Sustavi teških fermiona

 

    Sustavi teških fermiona su spojevi u kojima snažne elektronske i magnetske korelacije omogućuju stvaranje egzotičnh osnovnih stanja kao što su nekonvencionalna supravodljivost, magnetizam, spinske tekućine i stanja kvantne kritičnosti. Prisutnost povećanih korelacija dovodi do anomalnog metalnog stanja koje se može opisati teorijom Fermijeve tekućine, ali uz povećanje efektivne mase nosilaca naboja, i to do 1000 puta veće. Po tom efektu su ovi materijali i dobili svoje ime.

BlaBla

Porast otpora zlata s nečistoćama na niskim temperaturama.

 

  Fizika teških fermiona zopočinje davne 1934. godine kada se uočilo [] da električni otpor slitine zlata i željeza na niskim temperaturama prolazi kroz minimum, a na temperaturama ispod minimuma otpor ima logaritamski porast. To je smatrano kao neobična pojava jer se do tada smatralo da se u metalima spuštanjem temperature "smrzavaju" izvori raspršenja nosilaca naboja (primarno titranje rešetke) i na T = 0 K otpor treba poprimiti neku rezidualnu vrijednost ρ0 koja ovisi o čistoći materijala. Međutim, porast otpora na niskim temperaturama upućuje na novi fizikalni proces. Ovaj fenomen se zove Kondo efekt, po J. Kondu koji je teorijski razjasnio fizikalnu sliku za spomenuti fenomen. Pokazalo se da vodljivi elektroni zlata reagiraju na magnetski moment željezne nečistoće i prolaskom pored njega dolazi do virtualnog procesa raspršenja spina u obje čestice. Ta "komunikacija" uzrokuje pojavu magnetskih korelacija zbog čega otpor raste. Međutim, ovo razdoblje proučavanja intermetalnih spojeva (1934.-1975.) je samo početak istraživanja gdje je osnovna ideja bilo razumjeti fiziku materijala dopiranih nečistoćama.

 

Vodljivi elektroni u interakciji s lokaliziranim magnetskim momentom.

 

 

Efektivna slika neinteragirajućih nečistoća u moru nosilaca naboja s većom masom.

 

   Sâm izraz "teški fermion" je nastao 1975. kada je uočeno [] da se niskotemperaturna svojstva CeAl3 daju opisati tipičnim ponašanjem Fermijeve tekućine (otpor koji raste s kvadratom temperature, temp. neovisna susceptibilnost) s velikom masom nosilaca (velika vrijednost omjera toplinkskog kapaciteta i temperature). Već 1976. je pronađen prvi supravodič [] u klasi teških fermiona CeCu2Si2 gdje elektroni formiraju Cooperove parove unatoč povećane efektivne mase nosilaca naboja. Iako se u početku smatralo kako su Ce- i Yb- spojevi analogni, uz iznimku da je Ce elektronski (4f1) a Yb šupljinski (4f13) sustav, no tek je 2008. nađen prvi supravodič baziran na iterbiju (ß-YbAlB4) [].

 

Sustavi teških fermiona sadrže ione iz grupe rijetkih zemalja ili aknitida koji tvore pravilnu matricu lokaliziranih magnetskih momenata. Kako svaki magnetski moment djeluje vlastitim Kondo efektom, a periodičnost ćelije formira koherenciju, sustavi teških fermiona pokazuju neke dodatne fenomene koji ih čine zanimljivima za istraživanje. Zbog toga se sustavi teških fermiona još zovu i Kondo-rešetke (eng. Kondo lattices).

 Općenita posljedica snažnih korelacija uzrokovanih Kondo interakcijom jest reskaliranje svih veličina koje karakteriziraju energiju elektrona. Naime, iako se sva fenomenološka opažanja odvijaju na vrlo niskim temperaturama (T<100 K) ponašanje elektrona je okarakterizirano visokim energijskim skalama poput valentnih fluktuacija (~104 K). Kako to? 

 

Postepeni razvoj koherentne Fermi-tekućne prilikom zamjene nemagnetskih La iona s magnetskim ionima Ce.

To je posljedica logaritamskih korekcija u hamiltonijanu sustava zbog čega se visoki redovi bitnih skala transformiraju u puno manje reskalirane veličine što doprinosi tvorbi efektivnih parametara poput mase, širine el. vrpce (koja je sada puno manja) i povećanju volumena Fermijeve površine. Upravo zbog smanjene širine el. vrpce efekti vanjskih utjecaja poput tlaka i mag. polja postaju pojačani, te se lako tvore faze s novim karakteristikama.

    Mogućnost ostvarivanja različitih vrsta osnovnih stanja i njihova kontrola je ono što čini ove materijale tako zanimljivima. Mogu se provjeravati različite teorije, promatrati nadmetanja pojedinih interakcija u hamiltonijanu, i izgraditi novi koncepti koji dosad nisu bili uočeni. Kontrola pojedinih interakcija se ostvaruje varijacijom primjenjenog magnetskog polja, tlaka, temperature ili kemijskog dopiranja, što inducira prelazak iz jednog osnovnog stanja u drugo i dovodi sustav u stanje kvantne kritičnosti. Kvantni fazni prijelaz (KFP) je promjena osnovnog stanja sustava koja postoji i na T=0 K. Na toj temperaturi fazni prijelaz je uzrokovan jakim kvantnim korelacijama; za razliku od prijelaza na konačnoj temperaturi koji su klasični. Što je sustav bliže KFP-u, to su jače kvantne fluktuacije; do te mjere da se na samom faznom prijelazu ostvari novi oblik materije - kvantna kritična tvar. Za nju kažemo da je nova jer slijedi drukčije zakonitosti od dosad poznatih.

    Budući da se u teškim fermionima magnetski momenti zasjenjuju utjecajem vodljivih elektrona, kažemo da su oni u blizini stvaranja magnetskog reda. Fazni dijagram koji opisuje osnovnu karakteristiku tog prijelaza je razvio Doniach 1977. i po njemu dobio ime [].

 

Doniachov fazni dijagram

 

Modifikacija magnetskog stanja nastaje putem međuigre jakosti vezanja između vodljivih elektrona i f-momenata (Jcf), te gustoće stanja na Fermijevom nivou D(EF). Ta dva parametra definiraju Kondo temperaturu TK koja daje temperaturnu skalu kada Jcf dolazi do izražaja i jakost RKKY interakcije između više f-momenata. Ako je TK>>TRKKY, tada su f-momenti jako zasjenjeni i sustav se ispod neke temperature TFL ponaša kao metal s teškim nosiocima naboja. Ako je TK<<TRKKY, tada su momenti nezasjenjeni i međusobno interagiraju te formiraju dugodosežno magnetsko uređenje.

Ako pažljivim podešavanjem uspijemo potisnuti dugodosežni red, tada smo uspostavili neravnotežno stanje kvantne kritičnosti u kojem sustav konstantno fluktuira između jedne i druge faze (pogledaj fazni dijagram). U stvari, sustav poprima sasvim nova svojstva jer smo istovremeno temperaturu TFL, ispod koje se sustav ponašao kao Fermijeva tekućina (Fermijeva temperatura) sveli na 0 K.