Skryté je viac príroda

Skryté je viac príroda

Anonim

predmety

  • Fyzika kondenzovaných látok
  • fyzika

Fyzici sa po desaťročia hádali o skrytom elektronickom poriadku v materiáli na báze uránu. Nová teória ju pripisuje nielen jednému, ale aj dvojitému porušeniu symetrie so spätným chodom. Pozri článok s. 621

Magnet sa drží na dverách chladničky, ale hliníková lyžička nie. Toto rozlíšenie je dobre chápané z hľadiska rôznych spôsobov, akými sú v týchto materiáloch kolektívne usporiadané veľa miliárd miliárd elektrónov. V magnete tvoria elektróny poradie: ich malé točenia sa usporiadajú v určitom smere a vytvárajú agregovaný magnetický moment, zatiaľ čo v hliníku sú tieto točenie náhodne orientované. Na strane 621 tohto čísla Chandra et al . 1 navrhujem iný druh elektronického poriadku, ktorý by mohol vyriešiť hádanku, ktorá zmätokla fyzikov viac ako štvrť storočia.

Veľa fascinácie a výziev fyziky kondenzovaných látok spočíva v zisťovaní, ako sú elektróny organizované v ich mikroskopickom svete, aby vytvorili makroskopické vlastnosti pozorované v laboratóriu. Tendencia elektrónov v magnete, aby sa vyvíjali, je analogická tendencii molekúl vody tvoriť rigidný priestorový obrazec, keď kvapalina zamrzne na ľade. Tento elektronický poriadok, nazývaný feromagnetizmus, narušuje symetriu časovo reverznej: ak by sa zmenil smer času, tak by išlo o smer magnetického momentu.

Kondenzovaným systémom, ktorý študovali Chandra a jeho kolegovia, je URu 2 Si 2 . Táto zlúčenina na báze uránu je členom širokej triedy materiálov nazývaných silne korelované elektrónové systémy, v ktorých veľká Coulombova odpudivosť medzi elektrónmi má tendenciu vytvárať veľkolepé fyzikálne javy - napríklad vysokoteplotná supravodivosť pozorovaná v keramike na báze medi. Tento veľký odpor v silne korelovaných elektrónových systémoch kontrastuje so slabými interakciami, ktoré sa vyskytujú v mnohých materiáloch používaných v technológii, ako sú kremík, hliník alebo dokonca obyčajné magnety.

V polovici 80-tych rokov vedci objavili 2, 3, 4 jasných podpisov elektronickej objednávky v URu2Si2, keď bol materiál ochladený pod 17, 5 kelvinov. Poradie však bolo záhadné: líšilo sa to od feromagnetizmu, antiferomagnetizmu (obr. 1) alebo od akéhokoľvek iného poriadku známeho v magnetickom svete. Odvtedy bolo predložených viac ako dve desiatky teoretických nápadov 5 ako kandidátskych objednávok na URu 2 Si 2 . Niektoré boli experimentmi zneplatnené, zatiaľ čo iné ostávajú vecou sporu. Fyzici kondenzovaných látok frustrovane označujú tento jav za skrytý poriadok.

Image

a, Poradie otáčok v URu 2 Si 2, ktoré navrhla Chandra a jeho kolegovia 1 . Uránové ióny majú vo svojich najvzdialenejších 5f orbitaloch dva elektróny. Elektróny majú spoločne uhlovú hybnosť ħ , kde ħ je Planckova znížená konštanta. Mobilné elektróny v materiáli majú uhlovú hybnosť polovicu ħ a „hybridizujú“ s uránovými iónmi, čím vytvárajú entity nazývané spinory, ktoré nesú spin polovicu ħ . Rotory tvoria usporiadanie otočení, ktoré sú usporiadané proti sebe navzájom rovnobežne. Autori navrhujú, aby táto forma poriadku narušila symetriu pri jedinej transformácii s obráteným časom aj pri dvojitom obrátení. b, Bežný antiferomagnetický poriadok. Elektrónové točky atómov alebo molekúl nesú uhlovú hybnosť, ktorá je celé číslo ħ . Susedné otočky ukazujú v opačných smeroch a vytvárajú poriadok, ktorý preruší symetriu v jedinom, ale nie dvojnásobnom zvrátení.

Obrázok v plnej veľkosti

Chandra et al . vrátil sa k základom. Spin elektrónu má svoj pôvod v kvantovej mechanike, ktorá rozdeľuje subatomické častice na dve kategórie: bozóny a fermióny. Elektróny sú fermióny a na rozdiel od bozónov nemôžu zdieľať rovnaký kvantový stav. Napriek tomu sa môžu navzájom kvantovo-mechanicky zamotať. Toto zapletenie je hlboko zakorenené v našom chápaní kovov s ťažkými fermiónmi 6, ktoré tvoria významnú skupinu materiálov v silne korelovaných elektrónových systémoch, do ktorých patrí URu2Si2.

Prepletenie itinerantných (mobilných) elektrónov so silne korelovanými elektrónmi, ktoré sú lokalizované na uránových iónoch URu2Si2, inhibuje pohyb iteratívnych elektrónov a účinne zvyšuje ich hmotnosť obrovským faktorom - zvyčajne v stovkách - v porovnaní s hmotnosť holých elektrónov. Splietanie tiež spája identity putujúcich a lokalizovaných elektrónov, proces nazývaný hybridizácia. Točenie elektrónov v takomto hybridizovanom stave môže ukazovať akýmkoľvek smerom a nie je narušená symetria.

Chandra a kolegovia skúmali podrobnosti tejto hybridizácie v URu2Si2, kryštáli obsahujúcom vrstvy atómových rovín. Tento proces zahŕňa kvantové tunelovanie putujúcich elektrónov do alebo z uránových iónov zlúčeniny, čo má za následok nepárny počet elektrónov v 5f orbitále iónov a dva excitované elektronické stavy s opačnou orientáciou na každý ión. Dva stavy, známe ako Kramersov dublet, sú navzájom prepojené transformáciou v časovom období.

Z teoretických dôvodov Chandra a kol . navrhli, že zníženie teploty materiálu vyvolá poriadok v hybridizácii, ktorý poruší časovú reverznú symetriu. Presnejšie povedané, na rozdiel od bežných magnetov - v ktorých je elementárnou jednotkou rádu spin, ktorý nesie uhlovú hybnosť, čo je celé množstvo Planckovej redukovanej konštanty ( ħ ) - v navrhovanom poradí má elementárna jednotka moment hybnosti jedného -half z ħ . V dôsledku toho, keď sa na systém dvakrát použije operácia časového zvratu, symetria sa neobnoví. Inými slovami, poradie preruší symetriu nielen pri jednorazovom obrátení, ale aj pri dvojnásobnom obrátení. Elementárna jednotka navrhovaného poriadku tvorí matematický objekt známy ako spinor (obr. 1).

Na základe tohto teoretického návrhu Chandra et al . poskytli vysvetlenie niekoľkých zaujímavých vlastností pozorovaných v URu2Si2, vrátane nápadnej magnetickej anizotropie 7 - veľký rozdiel medzi odozvami systému na magnetické pole, ktoré je aplikované rovnobežne s atómovými rovinami, a tým, ktoré sa uplatňuje kolmo na roviny. Teória tiež obsahuje skôr odvodenú vlastnosť, ktorá spája stav skrytého poriadku s tlakom indukovaným antiferomagnetickým stavom 8 . Tieto výsledky robia z navrhovaného príkazu vedúceho uchádzača o skrytý poriadok v URu 2 Si 2 . Teória sa však opiera o konkrétne predpoklady o elektronických konfiguráciách 5f orbitálov v uránových iónoch, ktoré by sa mali experimentálne testovať. Vývoj hybridizačného procesu pri znižovaní teploty, od procesu, ktorý zachováva všetky symetrie, až po narušenie časovej inverzie, by sa mal tiež skúmať zmeraním závislosti hybnosti elektronických stavov pomocou fotoemisnej spektroskopie 9 a elektronickej tunelovej spektroskopie 10, 11, 12 .

Z teoretického hľadiska je navrhovaný poriadok otáčok osviežujúci nápad. Zatiaľ čo začiatok hybridizácie pri absolútne nulovej teplote predstavuje ostrý fázový prechod 6, jeho tepelne indukovaná náprotivok je iba jav postupného kríženia. Pretože navrhované poradie rozmetávača narušuje symetriu s časovým reverzom, premení hybridizačný nástup na ostrý fázový prechod aj pri nenulovej teplote. Avšak, spinor je zvyčajne fermionický objekt, a preto nie je dovolené objednávať. Chandra a kol . priniesli približné ošetrenie silných elektrónových korelačných účinkov, ktoré umožnili poradie spinora, ale tento teoretický postup vyžaduje ďalšie objasnenie.

Bez ohľadu na to, čo môžu budúce vyšetrovania odhaliť, štúdia Chandry a kolegov otvára nový rozmer v prebiehajúcej diskusii o povahe skrytého poriadku v URu 2 Si 2 a obohacuje naše skúmanie silne korelovaných záležitostí, ktoré narušujú časovú reverznú symetriu. Všeobecnejšie povedané, silné korelácie často vytvárajú konkurenčné tendencie v elektronickom poriadku, ktoré zase podporujú vznik elektronických javov, ako je supravodivosť. Preto tu navrhnutý rozmetávač, ako aj ďalšie exotické objednávky v príbuzných silne korelovaných materiáloch, poskytnú pohľad na kolektívnu elektronickú organizáciu, ktorá nás môže viesť k pochopeniu naliehavých problémov, ako je supravodivosť pri vysokej teplote.

Komentáre

Odoslaním komentára súhlasíte s tým, že budete dodržiavať naše zmluvné podmienky a pokyny pre komunitu. Ak zistíte, že je niečo urážlivé alebo nie je v súlade s našimi podmienkami alebo pokynmi, označte ho ako nevhodné.