Kvantsvängningar

Experiment med kondenserad materia

ARPES
ACAR
Neutronspridning
röntgenspektroskopi
Kvantoscillationer
Scanning tunnelmikroskopi

Inom den kondenserade materiens fysik beskriver kvantoscillationer en serie relaterade experimentella tekniker som används för att kartlägga Fermi - ytan på en metall i närvaro av ett starkt magnetfält . Dessa tekniker är baserade på principen om Landau-kvantisering av fermioner som rör sig i ett magnetfält. För en gas av fria fermioner i ett starkt magnetfält kvantiseras energinivåerna i band, kallade Landau-nivåer , vars separation är proportionell mot magnetfältets styrka. I ett kvantoscillationsexperiment varieras det externa magnetfältet, vilket får Landau-nivåerna att passera över Fermi-ytan, vilket i sin tur resulterar i svängningar av den elektroniska densiteten av tillstånd på Fermi- nivån ; detta producerar svängningar i de många materialegenskaper som beror på detta, inklusive resistans ( Shubnikov-de Haas-effekten ), Hallresistans och magnetisk susceptibilitet (de Haas-van Alphen-effekten ). Observation av kvantoscillationer i ett material anses vara en signatur för Fermi-vätskebeteende .

Kvantsvängningar har använts för att studera supraledande material vid hög temperatur som kuprater och pnictider . Studier som använder dessa experiment har visat att grundtillståndet för underdopade kuprater beter sig likt en Fermi-vätska och uppvisar egenskaper som Landau kvasipartiklar .

År 2021 har denna teknik använts för att observera ett förutsagt tillstånd som kallas "elektron-fononvätska", ett liknande partikel-kvasipartikeltillstånd som redan är känt är exciton- polaritonvätskan .

Experimentera

När ett magnetfält appliceras på ett system av fritt laddade fermioner , kvantiseras deras energitillstånd till de så kallade Landau-nivåerna, som ges av

YBCO supraledare under högt magnetfält. När fältstyrkan ökar undertrycks supraledning och Landau-svängningar kan observeras

$\varepsilon _{l}={\frac {eB}{m^{*}}}\left(\ell +{\frac {1}{ 2}}\right)$

för heltalsvärde $\ell$ , där $B$ är det externa magnetfältet och $e,m^{*}$ är fermionladdningen respektive den effektiva massan .

När det externa magnetfältet $B$ ökas i ett isolerat system expanderar Landau-nivåerna och "faller" så småningom av Fermi-ytan. Detta leder till svängningar i den observerade energin på den högsta upptagna nivån, och därmed i många fysiska egenskaper (inklusive Hall-konduktivitet, resistivitet och känslighet). Periodiciteten för dessa svängningar kan mätas och kan i sin tur användas för att bestämma Fermi-ytans tvärsnittsarea. Om magnetfältets axel varieras med konstant magnitud observeras liknande svängningar. Oscillationerna uppstår när Landau-banorna rör vid Fermi-ytan. På så sätt kan Fermi-sfärens fullständiga geometri kartläggas.

Underdopade cuprates

Studier av underdopade kupratföreningar såsom YBa ₂ Cu ₃ O _{6+ x} genom prober såsom ARPES har visat att dessa faser visar egenskaper hos icke-Fermi-vätskor, och i synnerhet frånvaron av väldefinierade Landau- kvasipartiklar . Emellertid har kvantoscillationer observerats i dessa material vid låga temperaturer, om deras supraledning undertrycks av ett tillräckligt högt magnetfält, vilket är bevis för närvaron av väldefinierade kvasipartiklar med fermionisk statistik . Dessa experimentella resultat stämmer alltså inte överens med de från ARPES och andra sonder.

Se även

^ ^a ^b Coldea, Amalia (2010). "Kvantsvängningar undersöker de normala elektroniska tillstånden hos nya supraledare" . Royal Societys filosofiska transaktioner A . 368 (1924): 3503–3517. Bibcode : 2010RSPTA.368.3503C . doi : 10.1098/rsta.2010.0089 . PMID 20603364 . Hämtad 20 mars 2012 .
^ ^a ^b ^c Doiron-Leyraud, Nicolas; et al. (2007). "Kvantsvängningar och Fermi-ytan i en underdopad hög-Tc supraledare". Naturen . 447 (7144): 565–8. arXiv : 0801.1281 . Bibcode : 2007Natur.447..565D . doi : 10.1038/nature05872 . PMID 17538614 . S2CID 4397560 .
^ Kondenserad materia och materialfysik: vetenskapen om världen omkring oss . Nationella forskningsrådet. 2010. ISBN 978-0-309-13409-5 .
^ Broun, DM (2008). "Vad ligger under kupolen?". Naturfysik . 4 (3): 170–172. Bibcode : 2008NatPh...4..170B . doi : 10.1038/nphys909 .
^ Yang, Hung-Yu; Yao, Xiaohan; Plisson, Vincent; Mozaffari, Shirin; Scheifers, Jan P.; Savvidou, Aikaterini Flessa; Choi, Eun Sang; McCandless, Gregory T.; Padlewski, Mathieu F.; Putzke, Carsten; Moll, Philip JW (2021-09-06). "Bevis på en kopplad elektron-fononvätska i NbGe2" . Naturkommunikation . 12 (1): 5292. arXiv : 2103.01515 . Bibcode : 2021NatCo..12.5292Y . doi : 10.1038/s41467-021-25547-x . ISSN 2041-1723 . PMC 8421384 . PMID 34489411 .
^ College, Boston (2021-09-06). "Ny metall upptäckt där elektroner flödar på samma sätt som vatten flödar i ett rör" . SciTechDaily . Hämtad 2021-09-20 .
^ ^a ^b Sebastian, Suchitra E.; Neil Harrison; Gilbert G. Lonzarich (2011). "Kvantsvängningar i kupraterna med hög Tc" . Royal Societys filosofiska transaktioner A . 369 (1941): 1687–1711. Bibcode : 2011RSPTA.369.1687S . doi : 10.1098/rsta.2010.0243 . PMID 21422021 . Hämtad 23 mars 2012 .
^ ^a ^b Ibach, Harald; Hans Lüth (1995). Fasta tillståndets fysik: en introduktion till materialvetenskapens principer . Berlin: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-58573-2 .
^ Alexandrov, AS (2008). "Teori om kvantmagnetoscillationer i underdopade kupratsupraledare". Journal of Physics: Condensed Matter . 20 (19): 192202. arXiv : 0711.0093 . Bibcode : 2008JPCM...20s2202A . doi : 10.1088/0953-8984/20/19/192202 . S2CID 117020227 .
^ Damascelli, Andrea; Hussain, Zahid; Zhi-Xun Shen (2003). "Vinkelupplösta fotoemissionsstudier av kupratsupraledarna". Recensioner av modern fysik . 75 (2): 473. arXiv : cond-mat/0208504 . Bibcode : 2003RvMP...75..473D . doi : 10.1103/RevModPhys.75.473 . S2CID 118433150 .

[prsa-1] Coldea, Amalia (2010). "Kvantsvängningar undersöker de normala elektroniska tillstånden hos nya supraledare" . Royal Societys filosofiska transaktioner A . 368 (1924): 3503–3517. Bibcode : 2010RSPTA.368.3503C . doi : 10.1098/rsta.2010.0089 . PMID 20603364 . Hämtad 20 mars 2012 .

[leyraud-2] Doiron-Leyraud, Nicolas; et al. (2007). "Kvantsvängningar och Fermi-ytan i en underdopad hög-Tc supraledare". Naturen . 447 (7144): 565–8. arXiv : 0801.1281 . Bibcode : 2007Natur.447..565D . doi : 10.1038/nature05872 . PMID 17538614 . S2CID 4397560 .

[nrc-3] Kondenserad materia och materialfysik: vetenskapen om världen omkring oss . Nationella forskningsrådet. 2010. ISBN 978-0-309-13409-5 .

[dmbroun-4] Broun, DM (2008). "Vad ligger under kupolen?". Naturfysik . 4 (3): 170–172. Bibcode : 2008NatPh...4..170B . doi : 10.1038/nphys909 .

[5] Yang, Hung-Yu; Yao, Xiaohan; Plisson, Vincent; Mozaffari, Shirin; Scheifers, Jan P.; Savvidou, Aikaterini Flessa; Choi, Eun Sang; McCandless, Gregory T.; Padlewski, Mathieu F.; Putzke, Carsten; Moll, Philip JW (2021-09-06). "Bevis på en kopplad elektron-fononvätska i NbGe2" . Naturkommunikation . 12 (1): 5292. arXiv : 2103.01515 . Bibcode : 2021NatCo..12.5292Y . doi : 10.1038/s41467-021-25547-x . ISSN 2041-1723 . PMC 8421384 . PMID 34489411 .

[6] College, Boston (2021-09-06). "Ny metall upptäckt där elektroner flödar på samma sätt som vatten flödar i ett rör" . SciTechDaily . Hämtad 2021-09-20 .

[sebastian2011-7] Sebastian, Suchitra E.; Neil Harrison; Gilbert G. Lonzarich (2011). "Kvantsvängningar i kupraterna med hög Tc" . Royal Societys filosofiska transaktioner A . 369 (1941): 1687–1711. Bibcode : 2011RSPTA.369.1687S . doi : 10.1098/rsta.2010.0243 . PMID 21422021 . Hämtad 23 mars 2012 .

[ibachnluth-8] Ibach, Harald; Hans Lüth (1995). Fasta tillståndets fysik: en introduktion till materialvetenskapens principer . Berlin: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-58573-2 .

[alexandrov-9] Alexandrov, AS (2008). "Teori om kvantmagnetoscillationer i underdopade kupratsupraledare". Journal of Physics: Condensed Matter . 20 (19): 192202. arXiv : 0711.0093 . Bibcode : 2008JPCM...20s2202A . doi : 10.1088/0953-8984/20/19/192202 . S2CID 117020227 .

[rmp-arpes-10] Damascelli, Andrea; Hussain, Zahid; Zhi-Xun Shen (2003). "Vinkelupplösta fotoemissionsstudier av kupratsupraledarna". Recensioner av modern fysik . 75 (2): 473. arXiv : cond-mat/0208504 . Bibcode : 2003RvMP...75..473D . doi : 10.1103/RevModPhys.75.473 . S2CID 118433150 .