тяжёлые фермионы

Рис. 4. Скачок электронной теплоёмкости в точке сверхпроводящего перехода в CeCu₂Si₂ (сплошная линия - теоретическая зависимость по модели Бардина - Купера - Шриффера).

Рис. 5. Фазовая диаграмма UPt₃ в магнитном поле H, параллельном гексагональной оси кристалла; I - антиферромагнитная фаза; II-IV - сверхпроводящие антиферромагнитные фазы, отличающиеся различным характером магнитного упорядочения.

·

Исчерпывающего теоретич. объяснения явления T. ф. пока не найдено. Если f-уровень лежит глубоко под то свойства электронов вблизи могут измениться из-за резонансного рассеяния электронов проводимости на локализованных магн. моментах f-центров, сопровождающегося переворотом спина (спин - флип- или sf- рассеяние). При 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

Здесь-энергия Ферми в отсутствие эффекта Кондо, к-рой отвечает эфф. масса электронов m = m₀, a I_sf- т. н. sf-o б м е н н ы й и н т е г р а л. Как правило,

следовательно,

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. восприимчивостипри 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

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 плотность состояний выше, чем в обычных металлах, на 2-3 порядка. Аномально высокое значениев 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 и многоэлектронные эффекты несущественны. Эти соединения представляют собой магнетики с локализованными на f-ионах магн. моментами и слабо подмагниченными электронами проводимости.

Рис. 6. Схема энергетических электронных уровней интерметаллических соединений, содержащих f-элементы, при различных величинах энергии связиэлектрона в f-оболочке. Пунктиром показана плотность состояний в отсутствие sf-взаимодействия. Стрелки символизируют нескомпенсированные магнитные момен ты f-ионов и электронов проводимости.

В системах с менее глубокими f-уровнями (рис. 6, б)наряду с РККИ-взаимодействием начинает играть роль гибридизация f-электронов с электронами проводимости:

Здесь V-матричный элемент sf-взаимодействия. Разность характеризует положение f-уровня. В этом случае Т_РККИсистема 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<Т_К (рис. 6,в) экранирующее действие Кондо рассеяния почти полностью уничтожает магн. порядок, но при этом вблизивозникает узкая зона шириной порядка Т_K в виде пика (резонанса) плотности состояний . Этот резонанс определяет низкотемпературные фер-ми-жидкостные свойства системы. В теории решёток Кондо характерная энергия при низких темп-рах В случаях 6 (б, в) валентность остаётся почти целочисленной, т. е. имеют место Кондо решётки.

В случае 6 (г) уровень столь близок к а его гибридизационное уширение Г~столь 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 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 мДж/моль^.К². 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^.К². 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; Mощалков 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.

   <<      Предметный указатель      >>