Cercetare demistifica proprietatile cuantice ale materialelor exotice

echipa internationala prezinta prăbuşirea volum Fermi în materie de critică cuantice

12/15/2004

MEDIA CONTACT:
Universitatea Rice: Jade Boyd, 713-348-6778, jadeboyd@rice.edu
la Universitatea Rutgers: Carl Blesch, 732-932-7084 x616, cblesch@ur.rutgers.edu
Max-Planck Societate: Dr. Andreas Trepte, (49) 89 2108-1238, trepte@gv.mpg.de

Ştiinţa modernă materialelor a fost o binefacere pentru electronica, oferind consumatorilor medie cu palma-mijlocii computere care ar fi umplut o sală de doar câţiva ani în urmă, de exemplu. Dar Apasă pentru a crea materiale cu proprietăţi radical nouă electronice a produs, de asemenea, o serie de rezultate experimentale care teoriile manual pur şi simplu nu pot explica.

În 16 decembrie al revistei Nature, o echipa de fizicieni de la Universitatea Rice, Universitatea Rutgers si Institutul Max-Planck pentru Chimie Fizica a substanţelor solide din Dresda, Germania, ofera o noua explicatie a modului efectele cuantice ar putea crea unele ciudat proprietăţilor electronice care au fost observate în categorie importanta de "grele fermion" materiale.

"Descoperirile noastre reprezinta un avans clar în înţelegerea principiului de organizare a electronului in cuantum-critice probleme", a declarat teoretic physist Qimiao Si, o hârtie de co-autor şi profesor de fizică şi astronomie la Rice. "Lucru ar putea fi importante pentru fizica de o gamă largă de materiale, inclusiv de înaltă temperatură supraconductorii şi nanotuburi de carbon. În plus, acesta oferă perspectiva noi pentru domeniul de transformarile din faza de materie, care este de interes în fizica, chimie si alte discipline. "

Noua cercetare sustine corpul tot mai mare de lucru teoretice şi experimentale într-un subcâmp nou de fizica materiei condensate cunoscut sub numele de "corelate electron fizica," o disciplină care a crescut în ultimii zece ani, cu scopul de a înţelege toate procesele electronice care reglementează atât naturale, cât şi materiale artificiale.

Impuls pentru corelate electroni fizica este faptul că teoria standard de metale nu poate explica funcţionarea electronic de materiale care conţin "corelate", sau interactioneaza puternic electroni. Sistemele corelată includ metale radioactive, cum ar fi plutoniu, şi compuşi bazat pe aşa-numitele elemente de pământuri rare şi metale de tranziţie, cum ar fi ceriu, ytterbium şi cupru. Toate materialele puternic corelate conţin electroni a căror influenţă pe un altul este atat de pronuntata ca acestea nu pot fi explicate prin descrierea teoretică a electronilor independent sine, ci necesită în schimb o înţelegere a interacţiunii lor dinamice.

Electronii sunt un tip de particule cuantice numit "fermion." Ca toate particulele cuantice, electronii pot fi considerate atât o particulă şi un val, si mecanica cuantica dicteaza ca valuri de electroni posedă un impuls definită şi faptul că doi electroni nu pot avea acelaşi impuls. Ceea ce urmează este noţiunea de "volum Fermi", un volum în impulsul-spaţiu alcătuit din toate impulsurile combinat al tuturor electronilor într-un fir, un rezistor sau o altă structură de solid-state.

În concluziile din această săptămână, Si, teoretic Rutgers fizician Piers Coleman, şi grupul Dresda de fizicieni experimental condus de Frank Steglich, arată că volumul Fermi în materiale cu electroni puternic corelate schimbă dimensiunea sa brusc într-un "punct critic cuantic." Un cuantum punct critic se dezvoltă într-un material de la zero absolut (minus 459 grade Celsius).

"Punctele critice Quantum sunt de interes actuale mare parte din cauza capacităţii lor de a ajunge de la zero absolut şi de a crea o nouă stare a materiei numită" quantum problema esenţială ", a spus Coleman, profesor de fizică şi astronomie la Universitatea Rutgers si un membru al universitare Centrul pentru Teoria materiale. "Acest lucru poate oferi un traseu la multe clase noi de material."

Cele mai recente cercetari oferă organismul cel mai important de dovezi experimentale menite să răspundă la întrebările teoretice cu privire la modificări de volum Fermi în materie cuantice critice. Si, Coleman şi Steglich, director la Institutul Max-Planck din Dresda, a facut echipa cu Max-Planck experimentatori Silke Paschen, un profesor de fizica, Luhmann Thomas Steffen şi Wirth, pentru a măsura ceva numit Experimentul a inclus "efectul Hall." un setup ingenios conceput pentru a separa diferitele roluri jucate de câmpuri magnetice. Alţi membri ai grupului de Max-Planck sunt Octavio Trovarelli şi Christoph Geibel, care a sintetizat extrem de înaltă calitate probe, precum şi Philipp Gegenwart, care a efectuat măsurătorile de rezistivitate necesare pentru a analiza datele Hall-efect.

Studiul teoretic al critic cuantic este încă în flux. Puncte critice reglementate de fizica clasica au fost cunoscute de cincizeci de ani, şi înţelepciunea convenţională consideră a verilor lor cuantică ca un fel de tranziţie de fază clasice în dimensiuni mai mari. Acest mod tradiţional de gândire a avut loc dominaţia în fizică metalice pentru ultima jumătate de secol, dar aceasta ar prezice o evoluţie normală a volumului Fermi.

"Nostru de puncte experimentale de observare spre o defalcare completă a teoriei tradiţionale", a spus Paschen.

În schimb, rezultatele sunt mult mai consistente cu un punct critic locale cuantice, o nouă clasă de tranziţie de fază cuantice avansate de Si si colegii sai in natura in 2001. O altă explicaţie posibilă favorizate de Coleman si colegii sai este ca electronii sunt, de fapt în afară de rupere în interiorul Materie cuantice critice - un fenomen cunoscut sub numele de spin-taxa de separare.

"Aceasta este dovada cea mai directă pentru un colaps al unui volum Fermi în orice problemă critică cuantice", spune Steglich. "Ne asteptam ca aceasta perspectiva noua pentru a avea implicatii largi pentru alte sisteme de electroni puternic corelate."

Luate împreună, lucrările experimentale şi teoretice spre punctul de fluctuaţii ale suprafeţei Fermi (incintei a volumului Fermi), ca fiind responsabilă pentru proprietăţile fizice ale materiei exotice critice cuantice.

Efectul lumea reala de corelaţii de electroni pe proprietăţi material poate fi profund. Efectele sunt unanim considerat a fi un element-cheie din spatele mecanismului de temperaturi ridicate superconductivity, şi o mai bună înţelegere a corelaţiilor electroni pot răspunde la întrebările care decurg dintr-o serie de alte observaţii misterioase experimentale, cum ar fi: de ce electronii realizat în unele extrem de rece metale exotice se comportă ca şi în cazul în care masele lor au fost o mie de ori că a electronilor liberi în metale simplu? De ce unele materiale puternic corelat a afişa o foarte mare de răspuns termoelectrice? De ce alţii afişa "magnetorezistenta colosal", sau sensibilitate extrema la schimbările magnetice?

Cercetare Rice a fost sprijinit de Fundatia Nationala pentru Stiinta, Robert A. Foundation Welch si Centrul Texas pentru Supraconductibilitate şi materiale avansate de la Universitatea din Houston. Cercetare Rutgers "a fost sprijinit de Fundatia Nationala pentru Stiinta. Max-Planck Institute de cercetare a fost sustinuta de der Fonds Chemischen Industrie.

# # #