Oscilaciones cuánticas (técnica experimental)

Experimentos de materia condensada
ARPES
UN COCHE
Dispersión de neutrones
Espectroscopia de rayos x
Oscilaciones cuánticas
Microscopía de túnel de barrido

En física de la materia condensada , las oscilaciones cuánticas describen una serie de técnicas experimentales relacionadas que se utilizan para mapear la superficie de Fermi de un metal en presencia de un fuerte campo magnético . ^[1] Estas técnicas se basan en el principio de cuantificación de Landau de los fermiones que se mueven en un campo magnético. ^[2] Para un gas de fermiones libres en un campo magnético fuerte, los niveles de energía se cuantifican en bandas, llamadas niveles de Landau., cuya separación es proporcional a la fuerza del campo magnético. En un experimento de oscilación cuántica, se varía el campo magnético externo, lo que hace que los niveles de Landau pasen sobre la superficie de Fermi, lo que a su vez da como resultado oscilaciones de la densidad electrónica de estados en el nivel de Fermi ; esto produce oscilaciones en las muchas propiedades del material que dependen de esto, incluida la resistencia (el efecto Shubnikov-de Haas ), la resistencia Hall , ^[2] y la susceptibilidad magnética (el efecto de Haas-van Alphen ). La observación de oscilaciones cuánticas en un material se considera una firma del comportamiento de los líquidos de Fermi .^[3]

Oscilaciones de Quantum se han utilizado para estudiar superconductores de alta temperatura materiales tales como los cupratos y pníctidos . ^{[1] Los} estudios que utilizan estos experimentos han demostrado que el estado fundamental de los cupratos subdopados se comporta de manera similar a un líquido de Fermi y presenta características como las cuasipartículas de Landau . ^[4]

Experimentar

Cuando se aplica un campo magnético a un sistema de fermiones con carga libre , sus estados de energía se cuantifican en los llamados niveles de Landau, dados por ^[5]

Superconductor YBCO bajo un alto campo magnético. A medida que aumenta la intensidad del campo, se suprime la superconductividad y se pueden observar las oscilaciones de Landau

${\displaystyle \varepsilon _{l}={\frac {eB}{m^{*}}}\left(\ell +{\frac {1}{2}}\right)}$

para valores enteros , donde es el campo magnético externo y son la carga del fermión y la masa efectiva, respectivamente.${\displaystyle \ell }$${\displaystyle B}$${\displaystyle e,m^{*}}$

Cuando el campo magnético externo aumenta en un sistema aislado, los niveles de Landau se expanden y finalmente "caen" de la superficie de Fermi. Esto conduce a oscilaciones en la energía observada del nivel ocupado más alto y, por lo tanto, en muchas propiedades físicas (incluida la conductividad Hall, la resistividad y la susceptibilidad). La periodicidad de estas oscilaciones se puede medir y, a su vez, se puede utilizar para determinar el área de la sección transversal de la superficie de Fermi. ^[6] Si el eje del campo magnético varía en magnitud constante, se observan oscilaciones similares. Las oscilaciones ocurren siempre que las órbitas de Landau tocan la superficie de Fermi. De esta manera, se puede mapear la geometría completa de la esfera de Fermi. ^[6]${\displaystyle B}$

Cupratos infradopados

Los estudios de compuestos de cuprato subdopados como YBa 2 Cu 3 O 6+ x a través de sondas como ARPES han indicado que estas fases muestran características de líquidos no Fermi , ^[7] y, en particular, la ausencia de cuasipartículas de Landau bien definidas . ^[8] Sin embargo, se han observado oscilaciones cuánticas en estos materiales a bajas temperaturas, si su superconductividad es suprimida por un campo magnético suficientemente alto, ^{[2] lo} cual es evidencia de la presencia de cuasipartículas bien definidas con estadísticas fermiónicas.. Por tanto, estos resultados experimentales no concuerdan con los de ARPES y otras sondas. ^[5]

Ver también

• Efecto De Haas-van Alphen
• Efecto Shubnikov-de Haas
• Niveles de Landau

Referencias

1. Coldea, Amalia (2010). "Las oscilaciones cuánticas sondean los estados electrónicos normales de nuevos superconductores" . Philosophical Transactions de la Royal Society A . 368 (1924): 3503–3517. Código bibliográfico : 2010RSPTA.368.3503C . doi : 10.1098 / rsta.2010.0089 . PMID  20603364 . Consultado el 20 de marzo de 2012 .
2. Doiron-Leyraud, Nicolas; et al. (2007). "Las oscilaciones cuánticas y la superficie de Fermi en un superconductor de alta Tc infradopado". Naturaleza . 447 (7144): 565–8. arXiv : 0801.1281 . Código Bibliográfico : 2007Natur.447..565D . doi : 10.1038 / nature05872 . PMID 17538614 . S2CID 4397560 .  
3. Física de la materia condensada y de los materiales: la ciencia del mundo que nos rodea . Consejo nacional de investigación. 2010. ISBN 978-0-309-13409-5.
4. Broun, DM (2008). "¿Qué hay debajo de la cúpula?". Física de la naturaleza . 4 (3): 170-172. Código Bibliográfico : 2008NatPh ... 4..170B . doi : 10.1038 / nphys909 .
5. Sebastian, Suchitra E .; Neil Harrison; Gilbert G. Lonzarich (2011). "Oscilaciones cuánticas en los cupratos de alta Tc" . Philosophical Transactions de la Royal Society A . 369 (1941): 1687-1711. Código Bibliográfico : 2011RSPTA.369.1687S . doi : 10.1098 / rsta.2010.0243 . PMID 21422021 . Consultado el 23 de marzo de 2012 . 
6. Ibach, Harald; Hans Lüth (1995). Física del estado sólido: introducción a los principios de la ciencia de los materiales . Berlín: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-58573-2.
7. Alexandrov, AS (2008). "Teoría de las magneto-oscilaciones cuánticas en superconductores de cuprato subdopados". Revista de física: materia condensada . 20 (19): 192202. arXiv : 0711.0093 . Código Bibliográfico : 2008JPCM ... 20s2202A . doi : 10.1088 / 0953-8984 / 20/19/192202 . S2CID 117020227 . 
8. Damascelli, Andrea; Hussain, Zahid; Zhi-Xun Shen (2003). "Estudios de fotoemisión de ángulo resuelto de los superconductores de cuprato". Reseñas de Física Moderna . 75 (2): 473. arXiv : cond-mat / 0208504 . Código Bibliográfico : 2003RvMP ... 75..473D . doi : 10.1103 / RevModPhys.75.473 . S2CID 118433150 .