ТЯЖЁЛЫЕ ФЕРМИОНЫ


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 не магнитных металлах (1), в веществах с локализованными магнитными моментами (2) и в соединениях с тяжёлыми фермионами (3).


5036-71.jpg

Рис. 3. Зависимость теплоёмкости С V 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=Т с (рис. 4). Большой скачок CV при Т=T с указывает на большую энтропию, к-рая в теории ферми-жидкости порядка 5036-77.jpg (отсюда малость 5036-78.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 (ЯMP) 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 =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 сверхпро водящего 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, парал лельном гексагональной оси кристалла; I - антиферро магнитная фаза; II-IV - сверхпроводящие антиферро магнитные 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 Т к), определяется выражением

5037-6.jpg

Здесь 5037-7.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. восприимчивости 5037-10.jpgпри Т> Т к.

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 T РККИ и T к 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 значение 5037-14.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 связи 5037-16.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 )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 Т РККИ5037-21.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 Т РККИ К (рис. 6, в) экранирующее действие Кондо рассеяния почти полностью уничтожает магн. порядок, но при этом вблизи 5037-22.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-рах 5037-24.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 к 5037-26.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 . К 2. 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 . К 2. 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; Moщалков 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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ТЯЖЁЛЫЕ ФЕРМИОНЫ" в других словарях:

  • ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ВАЛЕНТНОСТЬ — специфич. состояние ионов в твёрдом теле, при к ром в ионном остове имеется в среднем не целое (дробное) число электронов. Термин П. в. применяется в осн. по отношению к соединениям редкоземельных элементов и актиноидов, реже переходных металлов …   Физическая энциклопедия

  • ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ — Введение. Э. ч. в точном значении этого термина первичные, далее неразложимые ч цы, из к рых, по предположению, состоит вся материя. В совр. физике термин «Э. ч.» обычно употребляется не в своём точном значении, а менее строго для наименования… …   Физическая энциклопедия

  • Барион — Барионы (от греч. βαρύς тяжёлый) семейство элементарных частиц, сильно взаимодействующие[1] фермионы[2], состоящие из трёх кварков (предполагается, но не доказано существование барионов из 5 и большего числа кварков, см. пентакварк). Барионы… …   Википедия

  • Список частиц — Это список частиц в физике элементарных частиц, включающий не только открытые, но и гипотетические элементарные частицы, а также составные частицы, состоящие из элементарных частиц. Содержание 1 Элементарные частицы 1.1 Стандартная модель …   Википедия

  • Классификация элементарных частиц — Это список частиц в физике элементарных частиц, включающий не только открытые, но и гипотетические элементарные частицы, а также составные частицы, состоящие из элементарных частиц. См. также «Хронология открытий элементарных частиц» … …   Википедия

  • Адрон — Адроны (от др. греч. ἁδρός «крупный», «массивный»; термин предложен советским физиком Л. Б. Окунем в 1962 году[1], при переходе от модели Сакаты сильно взаимодействующих частиц к кварковой теории)  класс элементарных частиц,… …   Википедия

  • Элементарные частицы —          Введение. Э. ч. в точном значении этого термина первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии «Э. ч.» в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях,… …   Большая советская энциклопедия

  • НЕЙТРИНО — (v), лёгкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная ч ца со спином 1/2 (в ед. ћ), участвующая только в слабом и гравитац. вз ствиях. Н. принадлежит к классу лептонов, а по статистич. св вам явл. фермионом. Известны три типа Н.:… …   Физическая энциклопедия

  • Лептоны — (греч. λεπτός  лёгкий)  фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Название «лептон» было предложено Л. Розенфельдом в 1948 году и отражало тот факт, что все известные в то время лептоны были… …   Википедия

  • Тёмная материя — …   Википедия