Квантовые колебания (экспериментальная техника) - Quantum oscillations (experimental technique)

Конденсированное вещество эксперименты
ARPES
АВТОМОБИЛЬ
Рассеяние нейтронов
Рентгеновская спектроскопия
Квантовые колебания
Сканирующая туннельная микроскопия

В физика конденсированного состояния, Квантовые колебания описывает ряд связанных экспериментальный методы, используемые для картирования Поверхность Ферми из металл при наличии сильного магнитное поле.^[1] Эти техники основаны на принципе Квантование Ландау из Фермионы движется в магнитном поле.^[2] Для газа свободных фермионов в сильном магнитном поле уровни энергии квантованы в зоны, называемые зонами. Уровни Ландау, расстояние между которыми обратно пропорционально напряженности магнитного поля. В эксперименте с квантовыми осцилляциями изменяется внешнее магнитное поле, которое заставляет уровни Ландау проходить по поверхности Ферми, что, в свою очередь, приводит к колебаниям электронной плотность состояний на Уровень Ферми; это вызывает колебания многих свойств материала, которые зависят от этого, включая сопротивление ( Эффект Шубникова-де Гааза ), Сопротивление Холла,^[2] и магнитная восприимчивость (в эффект де Хааса-ван Альфена ). Наблюдение квантовых колебаний в материале считается признаком Ферми жидкость поведение.^[3]

Квантовые осцилляции использовались для изучения высокотемпературный сверхпроводящий материалы, такие как купраты и пниктиды.^[1] Исследования с использованием этих экспериментов показали, что основное состояние недодопированный купраты ведут себя аналогично Ферми жидкость, и такие характеристики отображения, как Ландау квазичастицы.^[4]

Эксперимент

Когда магнитное поле приложено к системе свободно заряженных фермионы, их энергетические состояния квантованы в так называемые уровни Ландау, задаваемые формулой^[5]

YBCO сверхпроводник в сильном магнитном поле. С увеличением напряженности поля сверхпроводимость подавляется, и можно наблюдать осцилляции Ландау.

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

для целочисленных ${\displaystyle \ell }$, куда ${\displaystyle B}$ - внешнее магнитное поле и ${\displaystyle e,m^{*}}$ - заряд фермиона и эффективная масса соответственно.

Когда внешнее магнитное поле ${\displaystyle B}$ увеличивается в изолированной системе, уровни Ландау расширяются и в конечном итоге «спадают» с поверхности Ферми. Это приводит к колебаниям наблюдаемой энергии наивысшего занятого уровня и, следовательно, многих физических свойств (включая холловскую проводимость, удельное сопротивление и восприимчивость). Периодичность этих колебаний можно измерить и, в свою очередь, использовать для определения площади поперечного сечения поверхности Ферми.^[6] Если ось магнитного поля менять на постоянную величину, наблюдаются аналогичные колебания. Колебания возникают всякий раз, когда орбиты Ландау касаются поверхности Ферми. Таким образом может быть отображена полная геометрия сферы Ферми.^[6]

Недодопированные купраты

Исследования недодопированных соединений купрата, таких как YBa₂Cu₃О_6+Икс через зонды, такие как ARPES указали, что эти фазы показывают характеристики неферми жидкости,^[7] и, в частности, отсутствие четко выраженной Ландау квазичастицы.^[8] Однако в этих материалах наблюдались квантовые осцилляции при низких температурах, если их сверхпроводимость подавлялась достаточно сильным магнитным полем,^[2] что свидетельствует о наличии четко определенных квазичастиц с фермионная статистика. Таким образом, эти экспериментальные результаты не согласуются с результатами ARPES и других зондов.^[5]

Смотрите также

• Эффект Де Хааса – ван Альфена
• Эффект Шубникова-де Гааза
• Уровни Ландау

Рекомендации

1. Колдеа, Амалия (2010). «Квантовые колебания исследуют нормальные электронные состояния новых сверхпроводников». Философские труды Королевского общества A. 368 (1924): 3503–3517. Bibcode:2010RSPTA.368.3503C. Дои:10.1098 / rsta.2010.0089. PMID  20603364. Получено 20 марта 2012.
2. Дуарон-Лейро, Николя; и другие. (2007). «Квантовые колебания и поверхность Ферми в недодопированном высокотемпературном сверхпроводнике». Природа. 447 (7144): 565–8. arXiv:0801.1281. Bibcode:2007Натура.447..565D. Дои:10.1038 / природа05872. PMID  17538614. S2CID  4397560.
3. Физика конденсированных сред и материалов: наука об окружающем мире. Национальный исследовательский совет. 2010 г. ISBN  978-0-309-13409-5.
4. Браун, Д. М. (2008). «Что лежит под куполом?». Природа Физика. 4 (3): 170–172. Bibcode:2008НатФ ... 4..170Б. Дои:10.1038 / nphys909.
5. Себастьян, Сучитра Э .; Нил Харрисон; Гилберт Г. Лонзарич (2011). «Квантовые колебания в высокотемпературных купратах». Философские труды Королевского общества A. 369 (1941): 1687–1711. Bibcode:2011RSPTA.369.1687S. Дои:10.1098 / rsta.2010.0243. PMID  21422021. Получено 23 марта 2012.
6. Ибах, Харальд; Ханс Лют (1995). Физика твердого тела: введение в основы материаловедения. Берлин: Springer-Verlag. ISBN  978-3-540-58573-2.
7. Александров, А. С. (2008). «Теория квантовых магнитоколебаний в недодопированных купратных сверхпроводниках». Журнал физики: конденсированное вещество. 20 (19): 192202. arXiv:0711.0093. Bibcode:2008JPCM ... 20s2202A. Дои:10.1088/0953-8984/20/19/192202. S2CID  117020227.
8. Дамаскелли, Андреа; Хуссейн, Захид; Чжи-Сюнь Шэнь (2003). «Фотоэмиссионные исследования купратных сверхпроводников с угловым разрешением». Обзоры современной физики. 75 (2): 473. arXiv:cond-mat / 0208504. Bibcode:2003РвМП ... 75..473Д. Дои:10.1103 / RevModPhys.75.473. S2CID  118433150.