Теорию для описания скоррелированных электронов подтвердили рассеянием нейтронов

E. A. Goremychkin et al./ Science, 2018 E. A. Goremychkin et al./ Science, 2018

Метод неупругого рассеяния нейтронов помог физикам описать процесс образования когерентного состояния в сильно коррелированных электронных системах и доказать применимость теоретических моделей, которые используются для их описания. Для этого ученые измерили динамическую магнитную восприимчивость в сплаве церия и палладия, сообщается в статье в Science.

Материалы, в которых электроны находятся в сильно коррелированном состоянии и их парное взаимодействие очень сильно влияет на электронную структуру, очень часто обладают необычными магнитными или проводящими свойствами и крайне интересны для различных технологических приложений. Теоретически предсказано, что в зависимости от температуры сильно коррелированные системы могут находиться в двух возможных состояниях: некогерентном состоянии при высоких температурах, для которого характерны сильные флуктуации и низкая подвижность электронов, и когерентном состоянии при более низких температурах, в котором электроны становятся скоррелированы, и материал может проводить ток.

Проблема исследования этих состояний и условий перехода из одного в другое состоит в том, что из-за сильной нелинейности такие системы очень сложно описывать теоретически и не всегда понятно, насколько точно может предсказать поведение электронов в таких системах та или иная модель. Кроме того, из-за большого количества неопределенностей и побочных эффектов при проведении экспериментов по изучению скоррелированных электронов, теоретические предсказания очень тяжело сравнивать с экспериментальными данными.

Группа физиков из России, США и Германии под руководством Рэймонда Осборна (Raymond Osborn) из Аргоннской национальной лаборатории нашла экспериментальный метод, позволяющий получить данные, которые можно сравнить с результатами теоретического расчета. Этим методом оказалось исследование материалов с помощью неупругого рассеяния нейтронов. В таком методе нейтроны с энергией несколько сот килоэлеткронвольт сначала поглощаются ядрами атомов, а потом переиспускаются с другой энергией. По характеру взаимодействия нейтронов с веществом можно найти возмущение магнитного и электрического полей внутри кристалла, и, например, измерить его магнитные свойства.

В своей работе ученые с помощью неупругого рассеяния нейтронов измеряли магнитную восприимчивость металлического сплава церия и палладия CePd3, в котором сильно коррелированная электронная система возникает за счет взаимодействия f-электронов церия, расположенных на отдельных локализованных электронных орбиталях, с энергетическими зонами, которые формируют d-электроны решетки палладия.

Данные, полученные экспериментально, ученые сравнили с теоретическими параметрами, посчитанными численно из первых принципов (ab initio), с помощью модели, основанной на теории динамического среднего поля. Эта модель была специально разработана для описания систем, в которых электронные свойства материалов определяются сильными парными взаимодействиями между электронами.

Зависимость картины динамической магнитной восприимчивости CePd3 при различных температурах. Сверху представлены данные численного расчета, снизу — результаты эксперимента. На трех рисунках представлены различные срезы четырехмерного объема рассеяния. E. A. Goremychkin et al./ Science, 2018

В таком материале при понижении температуры можно наблюдать переход из некогерентного состояния в когерентное, что отражается и на картине магнитной восприимчивости. Ученые сравнили данные по динамической магнитной восприимчивости для различных сечений рассеяния, полученные при разных температурах с помощью эксперимента и теоретической модели, и обнаружили, что данные очень хорошо согласуются друг с другом даже без необходимости вычитания фонового сигнала.

Ученые утверждают, что такое хорошее совпадение данных теории и эксперимента подтверждает, что предложенные экспериментальный и теоретический подходы можно в дальнейшем использовать для исследования даже очень сложных систем, включающих в себя большое количество квантовых частиц. Физики надеются, что полученные ими результаты помогут приблизить появление новых сильно скоррелированных материалов с необычными свойствами.

Материалы с сильно коррелированной системой электронов уже сейчас используют для создания различных устройств. Например, недавно с помощью никалата самария — вещества из класса сильно коррелированных материалов — удалось разработать датчик для слабых колебаний электрического поля в соленой воде.

Автор: Александр Дубов

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (1 vote)
Источник(и):

nplus1.ru