Kvantové oscilace (experimentální technika) - Quantum oscillations (experimental technique)

Kondenzované látky experimenty
ARPES
ACAR
Rozptyl neutronů
Rentgenová spektroskopie
Kvantové oscilace
Skenovací tunelovací mikroskopie

v fyzika kondenzovaných látek, Kvantové oscilace popisuje řadu souvisejících experimentální techniky používané k mapování Fermiho povrch a kov v přítomnosti silného magnetické pole.^[1] Tyto techniky jsou založeny na principu Landau kvantování z Fermiony pohybující se v magnetickém poli.^[2] Pro plyn volných fermionů v silném magnetickém poli jsou energetické hladiny kvantifikovány do pásem, které se nazývají Úrovně Landau, jehož oddělení je nepřímo úměrné síle magnetického pole. V experimentu s kvantovou oscilací se mění vnější magnetické pole, což způsobuje, že hladiny Landau procházejí přes Fermiho povrch, což má za následek oscilace elektronického hustota stavů na Fermiho úroveň; to produkuje oscilace v mnoha vlastnostech materiálu, které na tom závisí, včetně odporu ( Shubnikov-de Haasův efekt ), Hallův odpor,^[2] a magnetická susceptibilita (dále jen de Haas-van Alphen účinek ). Pozorování kvantových oscilací v materiálu je považováno za podpis Fermiho kapalina chování.^[3]

Kvantové oscilace byly použity ke studiu vysokoteplotní supravodivost materiály jako cuprates a pnictides.^[1] Studie využívající tyto experimenty ukázaly, že základní stav nedostatečně cuprates se chovají podobně jako a Fermiho kapalina a vlastnosti displeje, jako je Landau kvazičástice.^[4]

Experiment

Když je magnetické pole aplikováno na systém volného nabití fermiony, jejich energetické stavy jsou kvantovány do takzvaných Landauových úrovní daných vztahem^[5]

YBCO supravodič pod vysokým magnetickým polem. Jak se zvyšuje intenzita pole, supravodivost je potlačena a lze pozorovat Landauovy oscilace

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

pro celočíselnou hodnotu ${ displaystyle ell}$, kde ${ displaystyle B}$ je vnější magnetické pole a ${ displaystyle e, m ^ {*}}$ jsou fermionový náboj a efektivní hmotnost resp.

Když je vnější magnetické pole ${ displaystyle B}$ se zvyšuje v izolovaném systému, úrovně Landau se rozšiřují a nakonec „spadnou“ z povrchu Fermi. To vede k oscilacím ve pozorované energii nejvyšší obsazené úrovně, a tedy v mnoha fyzikálních vlastnostech (včetně Hallova vodivosti, měrného odporu a susceptibility). Periodicitu těchto oscilací lze měřit a následně je možné je použít k určení plochy průřezu povrchu Fermiho.^[6] Pokud se osa magnetického pole mění s konstantní velikostí, jsou pozorovány podobné oscilace. K oscilacím dochází vždy, když se oběžné dráhy Landau dotknou povrchu Fermi. Tímto způsobem lze mapovat úplnou geometrii sféry Fermi.^[6]

Underdoped cuprates

Studie underdoped měďnatých sloučenin, jako jsou YBa₂Cu₃Ó_6+X prostřednictvím sond jako např ARPES naznačily, že tyto fáze vykazují charakteristiky kapaliny jiné než Fermi,^[7] a zejména absence dobře definovaného Landau kvazičástice.^[8] Kvantové oscilace však byly v těchto materiálech pozorovány při nízkých teplotách, pokud je jejich supravodivost potlačena dostatečně vysokým magnetickým polem,^[2] což je důkazem přítomnosti přesně definovaných kvazičástic s fermionická statistika. Tyto experimentální výsledky tedy nesouhlasí s výsledky z ARPES a jiných sond.^[5]

Viz také

• De Haas – van Alphen efekt
• Shubnikov-de Haasův efekt
• Úrovně Landau

Reference