Маргинальная ферми-жидкость в ZrZn2

В течение последних 50 лет основой для описания влияния межэлектронных взаимодействий на низкотемпературные характеристики металлов служила теория ферми-жидкости Ландау, согласно которой (даже при сильном взаимодействии между электронами) возбуждения электронной подсистемы в металле могут быть описаны в терминах слабо взаимодействующих друг с другом квазичастиц. Каждую квазичастицу можно представить себе как электрон, “одетый шубой” из других электронов (рис. 1a).

Концепция ферми-жидкости применима не только к металлам, но и к другим системам сильно взаимодействующих фермионов, например, к жидкому 3He (для которого, собственно, она и была изначально предложена), атомным ядрам, нейтронным звездам и т.п. Однако описание в терминах квазичастиц возможно лишь в том случае, когда время их жизни t достаточно велико и можно говорить о наличии в системе таких “частицеподобных сущностей”. Так как величина t определяется главным образом взаимодейcтвием квазичастиц между собой, то при понижении температуры она возрастает из-за уменьшения количества квазичастиц и при T ® 0 стремится к бесконечности как t ~ 1/T2.

Рис.1. Квазичастицы в обычной и маргинальной ферми-жидкости. a) В обычной ферми-жидкости каждая частица окружена “поляризационным облаком” из других частиц, двигающимся вместе с этой частицей. Такое образование частица + облако можно рассматривать как квазичастицу. Последняя слабо взаимодействует с другими такими же облаками-квазичастицами. Синие и красные точки отвечают электронам с различными ориентациями спина (“вверх”-“вниз”). Здесь рассматривается металл, близкий к ферромагнитному состоянию. b) В маргинальной ферми-жидкости “облако” вокруг частицы так сильно размыто, что композитное образование частица + облако уже нельзя рассматривать как единый объект (квазичастицу)

Но в последние годы исследователи все чаще и чаще сталкиваются с материалами, для которых теория ферми-жидкости не работает [1]. Качественно понятно, что это связано с увеличением взаимодействия между квазичастицами (или, другими словами, – с усилением их рассеяния друг на друге). Однако остается неясным, какое состояние приходит на смену ферми-жидкости, и как его описывать? Если не квазичастицы, то что?

В этой связи большой интерес представляют системы, находящиеся “на границе” между ферми-жидкостью и не ферми-жидкостью. Электронное состояние таких систем называют “маргинальной ферми-жидкостью” (от английского marginal – находящийся на краю чего-либо). Теоретически это состояние было предсказано довольно давно, но найти материалы, в которых оно было бы четко выражено, долго не получалось. Между тем всесторонние экспериментальные исследования таких материалов очень важны, поскольку могут способствовать разработке новых теоретических подходов к их описанию. Ведь если удастся окончательно разобраться с маргинальной ферми-жидкостью, то можно будет вплотную заняться и гораздо более сложными не ферми-жидкостными системами.

В работе [2] физики из Великобритании и Японии сообщили о наблюдении четких признаков маргинальной ферми-жидкости в “почти ферромагнитном” металле ZrZn2. Они показали, в частности, что температурная зависимость удельного сопротивления при низкой температуре имеет вид: r(T) ~ T5/3 – в полном соответствии с теорией маргинальной ферми-жидкости (тогда как r(T) ~ T2 для обычной ферми-жидкости).

Интересным результатом работы [2] стало обнаружение сильного влияния давления P на r(T) вблизи “критического” давления Pc, при котором ферромагнетизм полностью исчезает. Повышение P выше Pс приводит к смене зависимости r(T) ~ T5/3 на зависимость r(T) ~ T3/2. Теория в ее современном виде пока не может это объяснить. Дальнейшее развитие концепции маргинальной ферми-жидкости представляет интерес не только для твердотельных систем (в том числе – купратных ВТСП), но и, например, для релятивистской плазмы и ядерного вещества.

  • 1. G.R. Stewart et al., Rev. Mod. Phys. 73, 797 (2001)
  • 2. R.P. Smith et al., Nature 455, 1220 (2008)
Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 4 (3 votes)
Источник(и):

ПерсТ: Маргинальная ферми-жидкость в ZrZn2