Efecto Kondo

Fenómeno físico debido a las impurezas.

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

Jun Kondo

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, es decir, un mínimo en la resistividad eléctrica con la temperatura. ^[1] La causa del efecto fue explicada por primera vez por Jun Kondo , quien aplicó la teoría de perturbación de tercer orden al problema para explicar la dispersión de electrones de conducción orbitales s de electrones orbitales d localizados en impurezas ( modelo Kondo ). El cálculo de Kondo predijo que la tasa de dispersión y la parte resultante de la resistividad deberían aumentar logarítmicamente 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 el uranio . El efecto Kondo también se ha observado en sistemas de puntos cuánticos .

Teoría

La dependencia de la resistividad con 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 proviene de las vibraciones reticulares: , , y son constantes independientes de la temperatura. Jun Kondo derivó el tercer término con dependencia logarítmica de la temperatura y la dependencia de la concentración observada experimentalmente. ${\displaystyle \rho _{0}}$ ${\displaystyle aT^{2}}$ ${\displaystyle bT^{5}}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle c_{m}}$ ${\displaystyle \mu }$

Historia

En 1930, Walther Meissner y B. Voigt ^{[3] [4]} observaron que la resistividad del oro nominalmente puro alcanza un mínimo a 10 K, y lo mismo para el Cu nominalmente puro a 2 K. Se descubrieron resultados similares en otros metales. ^[5] Kondo describió los tres aspectos desconcertantes que frustraron a los investigadores anteriores que intentaron explicar el efecto: ^{[6] [7]}

• Se espera que la resistividad de un metal verdaderamente puro disminuya monótonamente, porque a menor temperatura, disminuye la probabilidad de dispersión electrón-fonón.
• La resistividad debería estabilizarse rápidamente cuando la temperatura cae por debajo de la temperatura de Debye de los fonones, por debajo de la cual los fonones. ^{[ aclaración necesaria ]} Sin embargo, en la aleación de AuFe, la resistividad continúa aumentando bruscamente por debajo de 0,01 K, aunque no parecía haber una brecha de energía en la aleación de AuFe tan pequeña.
• El fenómeno es universal, por lo que cualquier explicación debería aplicarse en general.

Los experimentos realizados en los años 1960 por Myriam Sarachik en los Laboratorios Bell demostraron que el fenómeno era causado por impurezas magnéticas en metales nominalmente puros. ^[8] Cuando Kondo envió una vista previa de su artículo a Sarachik, Sarachik confirmó que los datos se ajustaban a la teoría. ^[9]

La solución de Kondo se derivó utilizando la teoría de perturbaciones que resultó en una divergencia a medida que la temperatura se acerca a 0 K, pero los métodos posteriores utilizaron técnicas no perturbativas para refinar su resultado. Estas mejoras produjeron una resistividad finita pero conservaron 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 wilsoniana que lo acompaña fueron una contribución importante para comprender la física subyacente del problema. ^[10] Con base 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 ^[11] 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 pasan por el momento magnético de la impureza a velocidades de v _F , la velocidad de Fermi, experimentando solo una correlación antiferromagnética leve en la proximidad de la impureza. En contraste, a medida que 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 general no magnético.

El efecto Kondo puede considerarse un ejemplo de libertad asintótica , es decir, una situación en la que el acoplamiento se vuelve no perturbativamente fuerte 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 iones magnéticos, 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 el uranio . En materiales de fermiones pesados , el crecimiento no perturbativo de la interacción conduce a cuasielectrones con masas de hasta miles de veces la masa del electrón libre, es decir, los electrones se ralentizan drásticamente por las interacciones. En varios casos son superconductores . Se cree que una manifestación del efecto Kondo es necesaria para comprender la inusual fase delta metálica del plutonio . ^{[ cita requerida ]}

El efecto Kondo se ha observado en sistemas de puntos cuánticos . ^{[12] [13]} En dichos 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 aisladores Kondo se han obtenido imágenes en experimentos de espectroscopia de fotoemisión con resolución angular . ^{[14] [15] [16]}

En 2012, Beri y Cooper propusieron que se podría encontrar un efecto Kondo topológico con fermiones de Majorana , ^[17] mientras que se ha demostrado que las simulaciones cuánticas con átomos ultrafríos también pueden demostrar el efecto. ^[18]

En 2017, equipos de la Universidad Tecnológica de Viena y la Universidad Rice llevaron a cabo experimentos para el desarrollo de nuevos materiales hechos de los metales cerio, bismuto y paladio en combinaciones específicas y trabajos teóricos experimentando con modelos de dichas estructuras, respectivamente. Los resultados de los experimentos se publicaron en diciembre de 2017 ^[19] y, junto con el trabajo teórico, ^[20] condujeron al descubrimiento de un nuevo estado, ^{[21] un} semimetal de Weyl impulsado por la correlación . El equipo denominó a este nuevo material cuántico semimetal de Weyl-Kondo .

Referencias

1. Hewson, Alex C; Jun Kondo (2009). "Efecto Kondo". Scholarpedia . 4 (3): 7529. Bibcode :2009SchpJ...4.7529H. doi : 10.4249/scholarpedia.7529 .
2. Kondo, Jun (1964). "Resistencia mínima en aleaciones magnéticas diluidas". Progreso de la física teórica . 32 (1): 37–49. Bibcode :1964PThPh..32...37K. doi : 10.1143/PTP.32.37 .
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4. Meissner, W.; Voigt, B. (enero de 1930). "Messungen mit Hilfe von flüssigem Helium XI Widerstand der reinen Metalle in tiefen Temperaturen". Annalen der Physik . 399 (8): 892–936. Código bibliográfico : 1930AnP...399..892M. doi : 10.1002/andp.19303990803. ISSN  0003-3804.
5. de Haas, WJ; de Boer, J.; van dën Berg, GJ (1 de mayo de 1934). "La resistencia eléctrica del oro, cobre y plomo a bajas temperaturas". Física . 1 (7): 1115-1124. Código bibliográfico : 1934Phy......1.1115D. doi :10.1016/S0031-8914(34)80310-2. ISSN  0031-8914.
6. Kondo, J. (1 de enero de 1970), Seitz, Frederick; Turnbull, David; Ehrenreich, Henry (eds.), Teoría de aleaciones magnéticas diluidas, Física del estado sólido, vol. 23, Academic Press, págs. 183-281, doi :10.1016/S0081-1947(08)60616-5, ISBN 978-0-12-607723-0, consultado el 1 de junio de 2024
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8. Sarachik, MP; Corenzwit, E.; Longinotti, LD (17 de agosto de 1964). "Resistividad de aleaciones de Mo-Nb y Mo-Re que contienen 1% de Fe". Physical Review . 135 (4A): A1041–A1045. Código Bibliográfico :1964PhRv..135.1041S. doi :10.1103/PhysRev.135.A1041.
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21. Gabbatiss, J. (2017) "Los científicos descubren material completamente nuevo que no puede explicarse mediante la física clásica", The Independent

Lectura adicional

• Efecto Kondo: 40 años después del descubrimiento - número especial de la Revista de la Sociedad de Física de Japón
• Kondō, Jun (2012). La física de las aleaciones magnéticas diluidas . Cambridge; Nueva York: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-02418-2..Monografía del propio Kondo.
• Hewson, Alexander C. (2003). El problema de Kondo para los fermiones pesados . Cambridge studies in magnetism (1.ª edición de bolsillo (con correcciones), transferida a impresión digital, edición de 2003). Cambridge: Cambridge Univ. Press. ISBN 978-0-521-59947-4.
• Cox, DL; Zawadowski, A. (1999). Efectos Kondo exóticos en metales: iones magnéticos en un campo eléctrico cristalino y centros de tunelización . Londres: Taylor & Francis. ISBN 978-0-7484-0889-4.Monografía sobre versiones más recientes del efecto Kondo en contextos no magnéticos, especialmente