Efecto Kondo

Fenómeno físico debido a impurezas.

Efecto Kondo: cómo se comporta el oro con una pequeña cantidad de lo que probablemente eran impurezas de hierro a bajas temperaturas

En física , el efecto Kondo describe la dispersión de electrones de conducción en un metal debido a impurezas magnéticas , lo que resulta en un cambio característico en la resistividad eléctrica con la temperatura. ^[1] El efecto fue descrito por primera vez por Jun Kondo , quien aplicó la teoría de perturbación de tercer orden al problema para explicar la dispersión de electrones sd. El modelo de Kondo predijo que la velocidad de dispersión de los electrones de conducción fuera de la impureza magnética debería divergir a medida que la temperatura se acerca a 0 K. ^[2] Extendido a una red de impurezas magnéticas, el efecto Kondo probablemente explica la formación de fermiones pesados y aislantes Kondo en compuestos intermetálicos, especialmente aquellos que involucran elementos de tierras raras como cerio , praseodimio e iterbio , y elementos actínidos como uranio . El efecto Kondo también se ha observado en sistemas de puntos cuánticos .

Teoría

La dependencia de la resistividad de la temperatura , incluido el efecto Kondo, se escribe como${\displaystyle \rho }$${\displaystyle T}$

${\displaystyle \rho (T)=\rho _{0}+aT^{2}+c_{m}\ln {\frac {\mu }{T}}+bT^{5},}$

donde es la resistividad residual, el término muestra la contribución de las propiedades del líquido de Fermi, y el término es de la vibraciones de la red: , , y son constantes independientes de la temperatura. Jun Kondo derivó el tercer término con dependencia logarítmica de la temperatura.${\displaystyle \rho _{0}}$${\displaystyle aT^{2}}$${\displaystyle bT^{5}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$${\displaystyle c_{m}}$${\displaystyle \mu }$

Antecedentes

El modelo de Kondo se derivó utilizando la teoría de la perturbación, pero los métodos posteriores utilizaron técnicas no perturbadoras para refinar su resultado. Estas mejoras produjeron una resistividad finita pero mantuvieron la característica de un mínimo de resistencia a una temperatura distinta de cero. Uno define la temperatura de Kondo como la escala de energía que limita la validez de los resultados de Kondo. El modelo de impurezas de Anderson y la teoría de renormalización de Wilson que lo acompaña fueron una contribución importante para comprender la física subyacente del problema. ^[3] Basado en la transformación de Schrieffer-Wolff, se demostró que el modelo de Kondo se encuentra en el régimen de acoplamiento fuerte del modelo de impurezas de Anderson. La transformación de Schrieffer-Wolff ^[4] proyecta las excitaciones de carga de alta energía en el modelo de impurezas de Anderson, obteniendo el modelo de Kondo como un hamiltoniano efectivo.

Esquema de la situación de alta temperatura débilmente acoplada en la que los momentos magnéticos de los electrones de conducción en el metal anfitrión pasan por el momento magnético de la impureza a velocidades de v _F , la velocidad de Fermi, experimentando solo una leve correlación antiferromagnética en la vecindad de la impureza. Por el contrario, como la temperatura tiende a cero, el momento magnético de la impureza y el momento de un electrón de conducción se unen muy fuertemente para formar un estado no magnético general.

El efecto Kondo puede considerarse como un ejemplo de libertad asintótica , es decir, una situación en la que el acoplamiento se vuelve fuerte no perturbativamente a bajas temperaturas y bajas energías. En el problema de Kondo, el acoplamiento se refiere a la interacción entre las impurezas magnéticas localizadas y los electrones itinerantes.

Ejemplos

Extendido a una red de impurezas magnéticas, el efecto Kondo probablemente explica la formación de fermiones pesados y aislantes Kondo en compuestos intermetálicos, especialmente aquellos que involucran elementos de tierras raras como cerio , praseodimio e iterbio , y elementos actínidos como uranio . En materiales de fermiones pesados , el crecimiento no perturbativo de la interacción conduce a cuasi-electrones con masas de hasta miles de veces la masa de electrones libres, es decir, los electrones se ralentizan drásticamente por las interacciones. En varios casos, en realidad son superconductores.. Se cree que es necesaria una manifestación del efecto Kondo para comprender la inusual fase delta metálica del plutonio . ^{[ cita requerida ]}

El efecto Kondo se ha observado en sistemas de puntos cuánticos . ^{[5] [6]} En tales sistemas, un punto cuántico con al menos un electrón desapareado se comporta como una impureza magnética, y cuando el punto está acoplado a una banda de conducción metálica, los electrones de conducción pueden dispersarse fuera del punto. Esto es completamente análogo al caso más tradicional de una impureza magnética en un metal.

La hibridación de la estructura de banda y la topología de banda plana en los aisladores de Kondo se han obtenido en experimentos de espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo . ^{[7] [8] [9]}

En 2012, Beri y Cooper propusieron que se podía encontrar un efecto Kondo topológico con los fermiones de Majorana , ^[10] mientras que se ha demostrado que las simulaciones cuánticas con átomos ultrafríos también pueden demostrar el efecto. ^[11]

En 2017, equipos de la Universidad de Tecnología de Viena y la Universidad de Rice llevaron a cabo experimentos sobre el desarrollo de nuevos materiales hechos de los metales cerio, bismuto y paladio en combinaciones específicas y trabajo teórico experimentando con modelos de tales estructuras, respectivamente. Los resultados de los experimentos se publicaron en diciembre de 2017 ^[12] y, junto con el trabajo teórico, ^[13] conducen al descubrimiento de un nuevo estado, ^[14] un semimetal de Weyl impulsado por correlación . El equipo bautizó este nuevo material cuántico como semimetal de Weyl-Kondo .

Referencias

1. Hewson, Alex C; Jun Kondo (2009). "Efecto Kondo" . Scholarpedia . 4 (3): 7529. Código bibliográfico : 2009SchpJ ... 4.7529H . doi : 10.4249 / scholarpedia.7529 .
2. Kondo, junio (1964). "Resistencia mínima en aleaciones magnéticas diluidas" . Progreso de la Física Teórica . 32 (1): 37–49. Código Bibliográfico : 1964PThPh..32 ... 37K . doi : 10.1143 / PTP.32.37 .
3. Anderson, P. (1961). "Estados magnéticos localizados en metales" (PDF) . Revisión física . 124 (1): 41–53. Código Bibliográfico : 1961PhRv..124 ... 41A . doi : 10.1103 / PhysRev.124.41 .
4. Schrieffer, JR; Wolff, PA (septiembre de 1966). "Relación entre los hamiltonianos de Anderson y Kondo" . Revisión física . 149 (2): 491–492. Código Bibliográfico : 1966PhRv..149..491S . doi : 10.1103 / PhysRev.149.491 . S2CID 55838235 . 
5. Cronenwett, Sara M. (1998). "Un efecto Kondo sintonizable en puntos cuánticos". Ciencia . 281 (5376): 540–544. arXiv : cond-mat / 9804211 . Código Bibliográfico : 1998Sci ... 281..540C . doi : 10.1126 / science.281.5376.540 . PMID 9677192 . S2CID 5139144 .  
6. "Renacimiento del Kondo" (PDF) .
7. Neupane, Madhab; Alidoust, Nasser; Belopolski, Ilya; Bian, Guang; Xu, Su-Yang; Kim, Dae-Jeong; Shibayev, Pavel P .; Sánchez, Daniel S .; Zheng, Hao; Chang, Tay-Rong; Jeng, Horng-Tay; et al. (18 de septiembre de 2015). "Topología de superficie Fermi y distribución de puntos calientes en el sistema de celosía Kondo CeB 6 " . Physical Review B . 92 (10): 104420. arXiv : 1411.0302 . Código bibliográfico : 2015PhRvB..92j4420N . doi : 10.1103 / PhysRevB.92.104420 .
8. Neupane, M .; Alidoust, N .; Xu, S.-Y .; Kondo, T .; Ishida, Y .; Kim, DJ; Liu, Chang; Belopolski, I .; Jo, YJ; Chang, T.-R .; Jeng, H.-T. (2013). "Estructura electrónica de superficie del sistema de electrones correlacionados candidatos Kondo-aislante topológico SmB 6 " . Comunicaciones de la naturaleza . 4 (1): 2991. arXiv : 1312.1979 . Código Bibliográfico : 2013NatCo ... 4.2991N . doi : 10.1038 / ncomms3991 . ISSN 2041-1723 . PMID 24346502 .  
9. Hasan, M. Zahid; Xu, Su-Yang; Neupane, Madhab (2015), "Aisladores topológicos, semimetales de Dirac topológicos, aislantes cristalinos topológicos y aislantes de Kondo topológicos" , Aisladores topológicos , John Wiley & Sons, Ltd., págs. 55–100, doi : 10.1002 / 9783527681594.ch4 , ISBN 978-3-527-68159-4, consultado el 26 de abril de 2020
10. Béri, B .; Cooper, NR (2012). "Efecto Topológico Kondo con Fermiones de Majorana". Cartas de revisión física . 109 (15): 156803. arXiv : 1206.2224 . Código bibliográfico : 2012PhRvL.109o6803B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.109.156803 . PMID 23102351 . S2CID 45712589 .  
11. Buccheri, F .; Bruce, GD; Trombettoni, A .; Cassettari, D .; Babujian, H .; Korepin, VE; Sodano, P. (1 de enero de 2016). "Trampas ópticas holográficas para dispositivos Kondo topológicos basados ​​en átomos". Nueva Revista de Física . 18 (7): 075012. arXiv : 1511.06574 . Código bibliográfico : 2016NJPh ... 18g5012B . doi : 10.1088 / 1367-2630 / 18/7/075012 . ISSN 1367-2630 . S2CID 118610269 .  
12. Dzsaber, S .; Prochaska, L .; Sidorenko, A .; Eguchi, G .; Svagera, R .; Waas, M .; Prokofiev, A .; Si, Q .; Paschen, S. (16 de junio de 2017). "Transformación de aislante Kondo a semimetal ajustada por acoplamiento Spin-Orbit" . Cartas de revisión física . 118 (24): 246601. arXiv : 1612.03972 . Código bibliográfico : 2017PhRvL.118x6601D . doi : 10.1103 / PhysRevLett.118.246601 . ISSN 0031-9007 . PMID 28665644 .  
13. Lai, HH; Grefe, SE; Paschen, S .; Si, Q. (2012). "Semimetal Weyl – Kondo en sistemas de fermiones pesados" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 115 (1): 93–97. arXiv : 1206.2224 . Código Bib : 2018PNAS..115 ... 93L . doi : 10.1073 / pnas.1715851115 . PMC 5776817 . PMID 29255021 .  
14. Gabbatiss, J. (2017) "Los científicos descubren material completamente nuevo que no puede ser explicado por la física clásica" , The Independent

Enlaces externos

• Efecto Kondo - 40 años después del descubrimiento - número especial de la Revista de la Sociedad de Física de Japón
• El problema de Kondo a los fermiones pesados - Monografía sobre el efecto Kondo por AC Hewson ( ISBN 0-521-59947-4 ) 
• Efectos exóticos de Kondo en metales : monografía sobre versiones más recientes del efecto Kondo en contextos no magnéticos especialmente ( ISBN 0-7484-0889-4 ) 
• Electrones correlacionados en δ-plutonio dentro de una imagen dinámica de campo medio , Nature 410 , 793 (2001). Artículo sobre la naturaleza que explora los vínculos entre el efecto Kondo y el plutonio.