Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Интернет — как это было
1961 год, США, министерство обороны этой страны поручает компании Advenced Research Agensy приступить к выполнению проекта, цель которого — создание экспериментальной сети, данная сеть получила название — ARPANET Далее...

ARPANET

тяжёлые фермионы

ТЯЖЁЛЫЕ ФЕРМИОНЫ -состояние электронов, в к-ром они образуют ферми-жидкость квазичастиц с аномально большой эфф. массой т. Величина m в 102-103 раз превышает эффективную массу электронов в нормальных и переходных металлах, где, как правило, т ~ (1 - 10) т0 (т0 - масса свободного электрона). Состояния Т. ф. наблюдаются в ряде интерметаллических соединений, содержащих элементы с недостроенными 4f- и 5f- оболочками (Се, Eu, U, Np, по нек-рым данным - Yb).

Свойства Т. ф. проявляются при низких темп-pax: для каждого соединения из этого класса существует характерная темп-pa 5036-61.jpg К, ниже к-рой его термодинамич. и кинетич. характеристики определяются свойствами фер-ми-жидкости. Электронная теплоёмкость CV=gT пара-магн. восприимчивость 5036-62.jpgуд. электросопротивление 5036-63.jpg(см. Квантовая жидкость ).Однако при этом эфф. энергия Ферми 5036-64.jpg оказывается очень малой 5036-65.jpg (в системе единиц k = 1), так что 5036-66.jpg 5036-67.jpg . В результате CV и c превышают на 2-3 порядка соответствующие величины в нормальных металлах, а р быстро возрастает с повышением Т до величины 100-200 мкОм.см (рис. 1), отвечающей мин. металлич. проводимости, т. е. минимально возможной в данном веществе длине свободного пробега электронов проводимости (табл.). При высоких темп-pax r ведёт себя также аномально, спадая по логарифмич. закону, и, как правило, имеет минимум, характерный для магн. рассеяния с переворотом спина.

5036-68.jpg

Рис. 1. Зависимость сопротивления в обычных металлах ( 1) и в соединениях с тяжёлыми фермионами (2).

Магн. восприимчивость c при высоких темп-pax подчиняется Кюри - Вейса закону: c=C/(T-Q) (Рис. 2), причём Q<0 , а эфф. магн. момент m*, входящий в постоянную С, по величине близок к соответствующим моментам для ионов Ce3+, U3+ или Eu2+. Электронная теплоёмкость CV с ростом темп-ры становится пропорц. Т с коэф. g~10-3 Дж/моль · К (рис. 3).

5036-69.jpg

Рис. 2. Зависимость магнитной восприимчивости в немагнитных металлах (1), в веществах с локализованными магнитными моментами (2) и в соединениях с тяжёлыми фермионами (3).


5036-71.jpg

Рис. 3. Зависимость теплоёмкости СV в обычных металлах (1) и в соединениях с тяжёлыми фермионами (2) в координатах 5036-70.jpg


Почти все соединения с Т. ф. являются антиферромагнетиками с темп-рами Нееля 5036-72.jpg Часть из них обладает эфф. магн. моментами m*, близкими к номинальному для трёхзарядных f-ионов, а в нек-рых соединениях 5036-73.jpg магн. моменты аномально малы: 5036-74.jpg. Эти магн. моменты не являются локализованными, но механизм их образования, по-видимому, не сводится ни к одному из известных механизмов зонного магнетизма.

Среди соединений с Т. ф. есть сверхпроводники с темп-рой сверхпроводящего перехода 5036-75.jpg 5036-76.jpg , причём сверхпроводящими являются именно носители с большой эфф. массой. На это указывает большая величина скачка теплоёмкости при Т=Тс (рис. 4). Большой скачок CV при Т=Tс указывает на большую энтропию, к-рая в теории ферми-жидкости порядка 5036-77.jpg (отсюда малость5036-78.jpg).

По сверхпроводящим свойствам соединения с Т. ф. существенно отличаются от обычных сверхпроводников (см. Сверхпроводимость). Степенная (а не экспоненциальная) зависимость CV(T), коэф. поглощения ультразвука, теплопроводности, времени релаксации сигнала ядерного маг-нитного резонанса (ЯМP) при 5037-1.jpg указывает на бесщелевой характер сверхпроводников с T. ф. Эти данные, а также то обстоятельство, что во всех известных случаях переходу в сверхпроводящее состояние предшествует возникновение антиферромагн. порядка, позволяют предположить возможность сверхпроводящего состояния с ненулевым моментом куперовской пары (скорее всего, d-спаривания c s = 0 и l=2)и нефононного механизма спаривания через антиферромагн. спиновые флуктуации. Сложная фазовая диаграмма UPt3 (рис. 5) в магн. поле H указывает на. анизотропию параметра сверхпроводящего порядка и его" взаимодействие с магн. параметром порядка.

5036-79.jpg

Рис. 4. Скачок электронной теплоёмкости в точке сверхпроводящего перехода в CeCu2Si2 (сплошная линия - теоретическая зависимость по модели Бардина - Купера - Шриффера).


5036-80.jpg

5036-81.jpg

5036-82.jpg

5036-83.jpg

5036-84.jpg

5036-85.jpg

CeCu2Si2

1050

0,0065

10

500

8

СеАl3

1620

0,036

35

800

5

CeCu6

1450

0,027

~30

102- 103

3

UBe13

1100

0,015


102 - 103

10

Cu

0,695

10-5

~10-6

10-1

0,1 - 1,0

8-104


5037-2.jpg

Рис. 5. Фазовая диаграмма UPt3 в магнитном поле H, параллельном гексагональной оси кристалла; I - антиферромагнитная фаза; II-IV - сверхпроводящие антиферромагнитные фазы, отличающиеся различным характером магнитного упорядочения.

·

Исчерпывающего теоретич. объяснения явления T. ф. пока не найдено. Если f-уровень лежит глубоко под 5037-3.jpgто свойства электронов вблизи 5037-4.jpg могут измениться из-за резонансного рассеяния электронов проводимости на локализованных магн. моментах f-центров, сопровождающегося переворотом спина (спин - флип- или sf- рассеяние). При 5037-5.jpg К sf-рассеяние приводит к полному экранированию спина магн. иона (Кондо эффект). Характерная темп-pa, при к-рой происходит смена режима от слабого sf-рассеяния к сильному экранированию магн. иона (темп-pa Кондо Тк), определяется выражением

5037-6.jpg

Здесь5037-7.jpg-энергия Ферми в отсутствие эффекта Кондо, к-рой отвечает эфф. масса электронов m = m0, a Isf- т. н. sf-o б м е н н ы й и н т е г р а л. Как правило,

5037-8.jpg следовательно,5037-9.jpg

В интерметаллич. соединениях на основе f-элементов магн. ионы образуют периодич. Кондо-решётку, но при высоких темп-pax межузельные магн. корреляции слабы и каждый ион является независимым рассеивателем. Отсюда следует кондовское поведение электросопротивления r и закон Кюри для магн. восприимчивости5037-10.jpgпри Т> Тк.

При понижении T в конкуренцию с Кондо рассеянием вступает тенденция к антиферромагн. упорядочению, связанному с косвенным обменным Рудермана- Киттеля - Касуя - Иосида взаимодействием (см. РККИ-обменное взаимодействие)локализованных моментов через электроны проводимости. РККИ-взаимодействие характеризуется энергией

5037-11.jpg

От соотношения между TРККИ и Tк зависят свойства осн. состояния системы. Если f-уровень лежит близко к уровню Ферми и "размыт" в f-зону за счёт его гибридизации с электронами проводимости, то вблизи 5037-12.jpg плотность состояний 5037-13.jpg выше, чем в обычных металлах, на 2-3 порядка. Аномально высокое значение5037-14.jpgв случае T. ф. может быть связано с промежуточной валентностью.

Можно также предполагать, что возникновение T. ф. тесно связано с неустойчивостью валентных f-оболочек ионов Ce, U, Np. В этих ионах происходит "коллапс" f-оболочки - из атомных оболочек радиусом 10-15 Бора радиусов a0 в сжатую орбиталь радиусом меньше a0- В силу близости к порогу коллапса 4f (5f)-уровни атомов этих элементов оказываются аномально "мелкими" по сравнению с уровнями типичных ионов редкоземельных элементов и актинидов даже в свободном состоянии, а в кристалле экранирование может привести к неустойчивости относительно перехода f-электрона либо обратно на "внешнюю" f-орбиту, либо в d-оболочку.

Классификацию интерметаллич. соединений, содержащих f-элементы, иллюстрирует рис. 6. В большинстве соединений реализуется ситуация, в к-рой 5037-18.jpg и многоэлектронные эффекты несущественны. Эти соединения представляют собой магнетики с локализованными на f-ионах магн. моментами и слабо подмагниченными электронами проводимости.

5037-15.jpg

Рис. 6. Схема энергетических электронных уровней интерметаллических соединений, содержащих f-элементы, при различных величинах энергии связи5037-16.jpgэлектрона в f-оболочке. Пунктиром показана плотность состояний 5037-17.jpg в отсутствие sf-взаимодействия. Стрелки символизируют нескомпенсированные магнитные момен ты f-ионов и электронов проводимости.

В системах с менее глубокими f-уровнями (рис. 6, б)наряду с РККИ-взаимодействием начинает играть роль гибридизация f-электронов с электронами проводимости:

5037-19.jpg

Здесь V-матричный элемент sf-взаимодействия. Разность 5037-20.jpg характеризует положение f-уровня. В этом случае ТРККИ5037-21.jpgсистема обладает целочисленной валентностью, но Кондо рассеяние существенно усложняет магн. структуру. В её формирование наряду с локализованными моментами существенный вклад вносят экранирующие их электроны проводимости.

В случае ТРККИК (рис. 6,в) экранирующее действие Кондо рассеяния почти полностью уничтожает магн. порядок, но при этом вблизи5037-22.jpgвозникает узкая зона шириной порядка ТK в виде пика (резонанса) плотности состояний 5037-23.jpg . Этот резонанс определяет низкотемпературные фер-ми-жидкостные свойства системы. В теории решёток Кондо характерная энергия при низких темп-рах5037-24.jpg В случаях 6 (б, в) валентность остаётся почти целочисленной, т. е. имеют место Кондо решётки.

В случае 6 (г) уровень 5037-25.jpgстоль близок к5037-26.jpg а его гибридизационное уширение Г~5037-27.jpgстоль велико, что система приобретает свойство промежуточной валентности. При этом рассеяние на флуктуациях валентности даёт в формирование резонанса не менее существенный вклад, чем рассеяние с переворотом спина. В случае 6 (д), когда 5037-28.jpg f-электроны перестают отличаться от обычных электронов проводимости и мы имеем дело с f-металлами типа U или Np, хотя флуктуации спиновой плотности могут и здесь давать существенный вклад в т. Системы с T. ф. на основе Ce, как правило, относятся к случаю 6 (в), а соединения U-к случаю 6 (г).

К группе веществ с T. ф. обычно относят соединения, у к-рых 5037-29.jpg мДж/моль.К2. Это выделение условно, т. к. обнаружены десятки соединений, среди к-рых есть металлы, полуметаллы и даже полупроводники, у к-рых g значительно превышает характерные для нормальных металлов величины, принимая значения от 10 до 2000 мДж/моль.К2. Эти системы образуют класс соединений с нестабильной валентностью, и своеобразие их свойств определяется спиновыми и зарядовыми флуктуациями в f-оболочках входящих в их состав ионов лантанидов и актинидов.

Лит.: Алексеевский H, E., Хомский Д. И., Сверхпроводники с тяжелыми фермионами, "УФН", 1985, т. 147, с. 767; Mощалков В. В., Брандт H. Б., Немагнитные кондо-решетки, "УФН", 1986, т. 149, с. 585; Stewart G. R., Heavy-fermion systems, "Rev. Mod. Phys.", 1984, v. 56, p. 755; Ott H. R., "Progress in Low Temperature Physics", 1987, v. 11, p. 217; Frontiers and borderlines in many-particle physics, Amst, 1988 (International School "Enrico Fermi", v. 104, eds. J. R. Schrieffer, R. A. Broglia). К. А. Кикоин.

  Предметный указатель