Vis dar nenugalimas | gamtos fizika

Vis dar nenugalimas | gamtos fizika

Anonim

Dalykai

  • Elektroninės savybės ir medžiagos
  • Magnetinės savybės ir medžiagos
  • Kvantiniai taškai
  • Teorinė fizika

Po pusės amžiaus „Kondo“ efektas ir toliau įkvepia.

1964 metai daugeliu aspektų buvo lemtingi metai Japonijai. Tų metų spalį Tokijuje vyko olimpinės žaidynės. Likus mažiau nei dviem savaitėms iki olimpinės liepsnos, tarp Tokijo ir Osakos pradėjo važiuoti pirmasis greitaeigis „ Shinkansen“ traukinys - naujas modernumo ir greito vystymosi link šviesios ateities simbolis. Akivaizdu, kad Japonija pasitraukė iš ilgo šešėlio, kurį šalis atidavė per Antrąjį pasaulinį karą. Šiuo laikotarpiu gimę žmonės vėlesniais dešimtmečiais bus žinomi kaip shinjinrui - „naujoji veislė“.

Tais pačiais metais buvo pasėta labai skirtingos rūšies sėkla: dirbdamas Tokijo elektrotechnikos laboratorijoje fizikas Jun Kondo sugalvojo 1 išspręsti ilgalaikę kietojo kūno fizikos problemą. Jis sukūrė „paprastą ir universalų modelį“ 2, kuris sėkmingai paaiškina, kodėl kai kuriuose praskiestuose magnetiniuose lydiniuose aušinant elektrinė varža nemažėja monotoniškai, o vėl pradeda didėti žemiau tam tikros būdingos temperatūros.

Pirmą kartą šį reiškinį užfiksavo 1934 m. Wander de Haas ir kolegos Kamerlingh Onnes laboratorijoje Leidene, Nyderlanduose. Jie tyrė aukso, vario ir švino atsparumą žemoje temperatūroje. Tačiau aukso elgesys kėlė nerimą. „Išmatuota auksinių vielų (nelabai grynos) varžos kreivė yra mažiausia“, - pranešė jie 3 . Tai buvo netikėta - jei varža atsiranda dėl elektronų išsibarstymo dėl grotelių virpesių ir netobulumų, tada mažėjant temperatūrai jis turėtų mažėti. Šis fenomenologinis ryšys, žinomas kaip Matthiesseno taisyklė, aukso neturėjo, o panašus elgesys vėliau buvo pastebimas ir kituose metaluose. Nuo pat pradžių priemaišos buvo pagrindinis įtariamas papildomas išsibarstymas, ir iki 1960 m. Buvo nustatyta, kad poveikis atsirado dėl magnetinių priemaišų, esančių normaliuose metaluose.

Bet koks buvo mechanizmas, neleidęs elektronams šiose sistemose įgyti vis didesnį mobilumą? Kondo problemą išsprendė pradėdamas nuo vadinamojo s - d modelio, kuris apibūdina mainų išsibarstymą tarp metalo s juostos elektrono sukimosi ir tuščio magnetinio priemaišo d lygmens. Taikydamas antrosios eilės perturbacijos teoriją, jis įgijo lydinio atsparumą, proporcingą priemaišų koncentracijai ir logaritmiškai proporcingą temperatūrai. Tam, kad indėlis didėtų mažėjant temperatūrai ir būtų galima paaiškinti Leidene ir kitur atliktus matavimus, s - d sąveika turi būti antiferomagnetinė - pirmenybė teikiama priešingiems magnetinių momentų suderinimams.

„Kondo“ sprendimas buvo didelis laimėjimas, tačiau jis sukūrė naują problemą. Dėl logaritminio termino, esant nulinei temperatūrai, varža tampa begalinė - tai nėra fizinė reikšmė. Daugelis teoretikų atkreipė dėmesį į „Kondo problemą“ ir greitai buvo nustatyta, kad dar aukštesnės eilės pataisos nepadėjo. Tačiau pratybų metu buvo apibrėžta vadinamoji Kondo temperatūra, žemiau kurios Kondo pasipiktinimo metodas nutrūko.

Palaipsniui atsirado tikėtina problemos sprendimo išeitis: kylant temperatūrai, priemaišos sukinį vis daugiau ir daugiau tikrina laidumo elektronai. Šį scenarijų aštuntojo dešimtmečio pradžioje patvirtino Kennethas Wilsonas kaip savo skaitinės renormalizacijos 4 grupės „šalutinis rezultatas“ - galinga technika, leidusi ne tik iki galo išspręsti Kondo problemą, bet ir prie visiškai naujo požiūrio į daugelio kūną būdų. problemos - ir 1982 m. Nobelio fizikos premija.

Kiti svarbūs teoriniai rezultatai buvo susiję su Kondo s -Hamiltiano ryšiu su Hamiltianu, kurį 1961 m. Įvedė Philipas Andersonas 5 ir aprašė magnetinį nešvarumą, turintį tik vieną elektronų lygį. Abu modeliai sukelia daugelio kūno efektų, vadinamų „Kondo“ rezonansu, būsenų tankio viršūnę Fermio lygyje. Eksperimentiniai atsparumo padidėjimo žemoje temperatūroje stebėjimai iš tikrųjų buvo pirmieji Kondo rezonanso požymiai.

Iki 1990-ųjų pabaigos Kondo efektas iš tikrųjų buvo naudojamas tik kaip teorinė kietojo kūno fizikų žaidimų aikštelė. Bet tai pasikeitė 1998 m., Pasiekus pažangą dviejose eksperimentinės fizikos šakose: nuskaitymo tunelių mikroskopijoje ir kvantiniuose taškuose.

Nuskaitymo tunelinis mikroskopas iš pradžių buvo išrastas atomų atvaizdų paviršiams, tačiau vėliau buvo įrodyta, kad jis taip pat gali fiziškai judėti atomus. Tai pasirodė esanti ideali priemonė tiriant „Kondo“ magnetinių atomų ant metalinių paviršių fiziką 6, 7, ir tai leido stebėti 8 stulbinančius „kvantinius miražus“, kuriuos sukūrė Donaldo Eiglerio vadovaujama komanda IBM.

Tikriausiai pati geriausia eksperimentinė „Kondo“ fizikos studijų platforma yra kvantinis taškas - puslaidininkių heterostruktūra, sudaryta taip, kad elektronai būtų ribojami mažoje erdvinėje jo dalyje. Sukimas gali būti susietas su tašku ir, svarbiausia, kad sukimą galima valdyti; kai nugaros vertė yra pusė, atkuriamas pirminis „Kondo“ scenarijus 9 . Galimybė paruošti kvantinius taškus su kitomis verpimo reikšmėmis ir suderinti taško elektroninį spektrą, pritaikant magnetinį lauką, „Kondo“ efekto taikymo sritį išplėtė gerokai virš jo pradinio konteksto.

Kondo pradinis popierius paskatino daugybę tyrimų ir naujos fizikos - procesą, kuris tęsiasi ir šiandien. Nuolat dominanti tema yra „Kondo debesis“ - elektronų grupė, kuri atrenka magnetinį nešvarumą ir sukelia Kondo rezonansą žemiau Kondo temperatūros - su nekantrumu laukiama eksperimentinių stebėjimų. Tuo tarpu prognozuojama nauja medžiagų klasė, pavadinta „Kondo topologiniais izoliatoriais“ 10 . Neseniai buvo peržiūrėtas „Kondo“ fizikos vaidmuo atliekant ilgalaikį galvosūkį, susijusį su kvantinių taškų kontaktais („0, 7 anomalija“) 11 .

1964 metai buvo vaisingi teorinės fizikos metai ir ne tik dėl Kondo indėlio: Johnas Bellas sugalvojo eksperimentinį kvantinių nevietinių bandymų pagrindą; Murray Gell-Mann ir George Zweig savarankiškai pasiūlė kvarkų egzistavimą; ir Robertas Broutas, François Englertas ir Peteris Higgsas … gerai, jūs tikriausiai žinote, ką jie padarė. Tai tik keletas išskirtinių idėjų, padėjusių išsiugdyti naują fiziko atmainą pokario metais, kuris nebuvo poliarizuotas, tačiau kuriam vis dėlto būdingi tarptautiniai mainai ir bendradarbiavimas.

Autoriai