Kondo effekt

Kondoeffekt: Hur guld med en liten mängd av vad som troligen var järnföroreningar beter sig vid låga temperaturer

Inom fysiken beskriver Kondo - effekten spridningen av ledningselektroner i en metall på grund av magnetiska föroreningar , vilket resulterar i en karakteristisk förändring, dvs ett minimum i elektrisk resistivitet med temperatur. Orsaken till effekten förklarades först av Jun Kondo , som tillämpade tredje ordningens störningsteori på problemet för att förklara spridningen av s-orbitala ledningselektroner från d-orbitala elektroner lokaliserade vid föroreningar ( Kondo-modellen ). Kondos beräkning förutspådde att spridningshastigheten och den resulterande delen av resistiviteten skulle öka logaritmiskt när temperaturen närmar sig 0 K. Experiment på 1960-talet av Myriam Sarachik vid Bell Laboratories gav de första data som bekräftade Kondo-effekten. Utvidgad till ett gitter av magnetiska föroreningar , förklarar Kondo-effekten troligen bildandet av tunga fermioner och Kondo-isolatorer i intermetalliska föreningar, särskilt de som involverar sällsynta jordartsmetaller som cerium , praseodymium och ytterbium och aktinidelement som uran . Kondo-effekten har också observerats i kvantpricksystem .

Teori

Beroendet av resistiviteten $\rho$ på temperaturen $T$ , inklusive Kondo-effekten, skrivs som

$\rho (T)=\rho _{0}+aT^{2}+c_{m}\ln {\frac {\mu }{T}}+bT^{5},$

där $\rho _{0}$ är restresistiviteten, termen $aT^{2}$ visar bidraget från Fermi-vätskeegenskaperna och termen $bT ^{5}$ är från gittervibrationerna: $a$ , $b$ , $c_{m}$ och $\mu$ är konstanter oberoende av temperatur. Jun Kondo härledde den tredje termen med logaritmiskt beroende av temperatur och det experimentellt observerade koncentrationsberoendet.

Bakgrund

Kondos lösning härleddes med hjälp av störningsteori vilket resulterade i en divergens när temperaturen närmar sig 0 K, men senare metoder använde icke-perturbativa tekniker för att förfina hans resultat. Dessa förbättringar gav en ändlig resistivitet men bibehöll särdraget av ett motståndsminimum vid en temperatur som inte var noll. Man definierar Kondo-temperaturen som energiskalan som begränsar Kondo-resultatens giltighet. Andersons orenhetsmodell och tillhörande Wilsons renormaliseringsteori var ett viktigt bidrag till att förstå problemets underliggande fysik. Baserat på Schrieffer–Wolff-transformationen visades det att Kondo-modellen ligger i den starka kopplingsregimen för Andersons orenhetsmodell. Schrieffer-Wolff-transformationen projicerar excitationerna av högenergiladdningar i Andersons orenhetsmodell, och erhåller Kondo-modellen som en effektiv Hamiltonian.

Schematisk över den svagt kopplade högtemperatursituationen i vilken de magnetiska momenten för ledningselektroner i metallvärden passerar det magnetiska föroreningsmomentet med hastigheter av v F , Fermihastigheten, och _upplever endast en mild antiferromagnetisk korrelation i närheten av föroreningen. Däremot, eftersom temperaturen tenderar att nollställas, binder föroreningsmagnetiska momentet och ett ledningselektronmoment mycket starkt för att bilda ett totalt icke-magnetiskt tillstånd.

Kondo-effekten kan betraktas som ett exempel på asymptotisk frihet , dvs en situation där kopplingen blir icke-perturbativt stark vid låga temperaturer och låga energier. I Kondo-problemet hänvisar kopplingen till interaktionen mellan de lokaliserade magnetiska föroreningarna och de ambulerande elektronerna.

Exempel

Utvidgad till ett gitter av magnetiska joner, förklarar Kondo-effekten troligen bildandet av tunga fermioner och Kondo-isolatorer i intermetalliska föreningar, särskilt de som involverar sällsynta jordartsmetaller som cerium , praseodymium och ytterbium , och aktinidelement som uran . I tunga fermionmaterial leder den icke-perturbativa tillväxten av interaktionen till kvasielektroner med massor upp till tusentals gånger den fria elektronmassan, dvs elektronerna bromsas dramatiskt av interaktionerna. I ett antal fall är de supraledare . Man tror att en manifestation av Kondo-effekten är nödvändig för att förstå den ovanliga metalliska deltafasen av plutonium .

Kondo-effekten har observerats i kvantpricksystem . I sådana system beter sig en kvantpunkt med minst en oparad elektron som en magnetisk förorening, och när punkten kopplas till ett metalliskt ledningsband kan ledningselektronerna spridas från punkten. Detta är helt analogt med det mer traditionella fallet med en magnetisk förorening i en metall.

Bandstrukturhybridisering och plattbandstopologi i Kondo-isolatorer har avbildats i vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopiexperiment .

År 2012 föreslog Beri och Cooper att en topologisk Kondo-effekt kunde hittas med Majorana-fermioner , medan det har visat sig att kvantsimuleringar med ultrakalla atomer också kan visa effekten.

Under 2017 genomförde team från Wiens tekniska universitet och Rice University experiment i utvecklingen av nya material gjorda av metallerna cerium, vismut och palladium i specifika kombinationer och teoretiskt arbete med att experimentera med modeller av sådana strukturer. Resultaten av experimenten publicerades i december 2017 och leder tillsammans med det teoretiska arbetet till upptäckten av ett nytt tillstånd, en korrelationsdriven Weyl-semimetall . Teamet kallade detta nya kvantmaterial Weyl-Kondo semimetal .

externa länkar

• Kondo-effekten - 40 år efter upptäckten - specialnummer av Journal of the Physical Society of Japan
•   The Kondo Problem to Heavy Fermions - Monograph on the Kondo effect by AC Hewson ( ISBN 0-521-59947-4 )
•   Exotiska Kondo-effekter i metaller - Monografi om nyare versioner av Kondo-effekten i icke-magnetiska sammanhang, speciellt ( ISBN 0-7484-0889-4 )
• Korrelerade elektroner i δ-plutonium inom en dynamisk medelfältsbild , Nature 410 , 793 (2001). Naturartikel som utforskar länkarna mellan Kondo-effekten och plutonium