Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
В то время достаточно странно было думать, что сверхпроводимость не зависит от введенных атомов, содержащих не f электроны. Расчеты энергетических зон еще только начали показывать, что f электроны будут
в зонах, но эти расчеты ограничивались самыми простейшими структурами. Хилл предположил, что f электроны могут гибридизоваться только с f электронами в других узлах и что вводимые атомы с не f электронами являются только прокладкой, которая изменяет степень перекрытия волновых функций f электронов. График Хилла стал основным шагом к получению представления о легких актиноидах. Этот график в более общей форме представлен на рис. 19, где мы видим, что элементы на диагонали и вблизи нее могут легко изменять свои свойства.
Рис. 24 показывает намного больше веществ, чем представлено в первоначальном графике Хилла, включая два сверхпроводящих соединения, которые, исходя из относительно большого расстояния между двумя f электронными
атомами, должны обладать магнитными свойствами. Эти два соединения, а именно, уран-платиновое UPt3 и уран-берил-лиевое UBe13 соединения, являются примерами сверхпроводников с тяжелыми фермионами.
Вещества с тяжелыми фермионами
Многие соединения и сплавы, содержащие элементы, расположенные вблизи диагонали рис. 19, называются веществами с тяжелыми фермионами; это означает, что электроны проводимости ведут себя так, как будто они обладают чрезвьиайно большой массой. Очень высокая теплоемкость UBe13, представленного на рис. 23, показывает, что его электроны имеют эффективную массу в несколько сот раз больше, чем электроны проводимости в обычных металлах. Вещества с тяжелыми фермионами также демонстрируют весьма необычные основные состояния со свойствами сверхпроводимости и магнитными свойствами. Все эти вещества являются узкозонными металлическими системами. Поэтому их необычные коллективные основные состояния возникают из-за сильных корреляций электронов в узких зонах. Их низкоэнергетические возбуждения также связаны с флуктуациями спинов и зарядов в этой узкой зоне. Одно различие между этими веществами и легкими актиноидами заключается в том, что первые не проявляют неустойчивости кристаллических структур, потому что их узкие зоны не являются преобладающими зонами в связи. Эту особенность можно видеть В UPt3, чья широкая d зона имеет приблизительно 27 электронов (9 электронов на каждый атом платины), а узкая f зона имеет только 3 электрона. Таким образом, именно возбуждения с низкой энергией (в основном при низких температурах) являются причиной того, что вещества с тяжелыми фермионами напоминают легкие актиноиды. Далее мы обсудим открытие веществ с тяжелыми фермионами и важную роль, которую сыграли в этом ученые Лос-Аламоса, а также экзотические свойства этих материалов.
В конце 70-х годов в Кельне, Германия, Фрэнк Стеглих и его сотрудники были первыми учеными, наблюдав-
124
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний. Физика конденсированного вещества
X
X
CD
T
CC
CS
CD
I-
CS
VO
CD
с;
о
Приложенное магнитное поле (Тл)
Рис. 26. Эффект де Гааза - ван Альфена (дГвА)
При низкой температуре и в сильном магнитном поле магнитная восприимчивость металла колеблется с периодом, обратно пропорциональным полю. Такое колебание возникает потому, что поле накладывает условие квантования на допустимые уровни электронов. Таким способом можно получить информацию о поверхности Ферми. На рисунке представлены колебания для соединения ThBe13, которое является аналогом соединения UBe13, но с некоррелированными электронами
шими необычные основные состояния со свойствами сверхпроводимости. Они измеряли свойства соединения церий-медь-кремний (CeCu2Si2) при низкой температуре. Поведение этого соединения при температуре выше 100 кельвинов предполагало, что при очень низких температурах CeCu2Si2 станет антиферромагнетиком. То есть это соединение продемонстрировало обычную обратную зависимость магнитной восприимчивости от температуры, как показано на рис. 21, с отрицательным значением точки пересечения на оси температур. Это соединение имело также огромную теплоемкость при низких температурах, порядка нескольких джоулей на моль-кельвин, связанную с локализованными магнитными моментами5. С другой стороны, магнитная восприимчивость CeCu2Si2 при низких температурах становится независимой от температуры, что полностью исключает возникновение магнитной упорядоченности. Настоящим сюрпризом стал большой скачок
5 Электронная теплоемкость вещества, обладающего магнитными свойствами, намного выше, чем теплоемкость обычного металла, потому что у первых вклад вносят моменты на всех атомах, а у последних - только Г/Гр электронов проводимости. У обычных металлов электронная удельная теплоемкость при низких температурах составляет приблизительно 1-10 мДж/(моль-К).
удельной теплоемкости, когда соединение проявляло свойства сверхпроводимости при температуре ниже 1 К. На рис. 25 показана удельная теплоемкость сверхпроводника в точке перехода. Возникновение большой энергетической щели в районе высокой удельной теплоемкости соединения CeCu2Si2 означало, что электроны, которые предположительно были локализованными и, значит, ассоциировались с большими магнитными моментами, стали сверхпроводящими. Ho такое заключение просто не имело смысла. Локализованные электроны не только не могут быть сверхпроводящими, но не могут даже просто проводить электричество. Эти свойства сочли столь маловероятными, что их посчитали артефактом и отнесли за счет плохого качества образцов, хотя Стеглих защищал свои результаты.
