Ułatwienia dostępu

  • Skalowanie treści 100%
  • Czcionka 100%
  • Wysokość linii 100%
  • Odstęp liter 100%
Skip to main content

NCN PRELUDIUM 2: 2011/03/N/ST3/02989

Indukowana polem magnetycznym rekonstrukcja powierzchni Fermiego w układach silnie skorelowanych elektronów

kierownik: dr inż. Ł. Bochenek

Opis

Projekt „Indukowana polem magnetycznym rekonstrukcja powierzchni Fermiego w układach silnie skorelowanych elektronów” dotyczy badań stanu podstawowego materii skondensowanejokreślonego przeznie dające się przewidzieć a priorisilne korelacje elektronowe. Ich wpływ na takie zjawiska fizyczne,jakkwantowe przejściefazowe, przejście metal-izolatorczy niekonwencjonalne nadprzewodnictwosą jednym z kluczowych zagadnień współczesnej fizyki ciała stałego.Układy o niecałkowicie wypełnionych powłokach f-elektronowych stanowią unikatowy materiał badawczy pozwalający na studiowanie teoretycznie postulowanych zmian powierzchniFermiegobędących rezultatem oddziaływań między zlokalizowanymi momentami magnetycznymi a spinem elektronów przewodnictwa. Eksperymenty określające ewolucję powierzchni Fermiego w oparciu o zależność kątową magnetooporności zaplanowano w zakresie bardzo niskich temperatur do 80 mK i w wysokich polach magnetycznych do 14 Twykorzystującnowo wytworzoną aparaturę naukowo-badawczą.

Uderzające podobieństwodiagramów fazowychdlamiedzianów, pniktydkówżelazaorazciężkichfermionówjestolbrzymim wyzwaniem dlafizyków badających własności fazy skondensowanej.Istnieją silne przesłanki wskazujące, że kwantowa krytycznośćma niebagatelnywpływ na mechanizm odpowiedzialny za niekonwencjonalne nadprzewodnictwow tychsilnie skorelowanychukładach elektronowych.Dotychczasowy brak jednoznacznychkonkluzji wynika m.in. ze znaczących wymagań eksperymentalnych związanych z koniecznością przeprowadzania bardzo skomplikowanych pomiaróww pobliżu temperatury zerabezwzględnego,podczas gdynp. dla miedzianówcharakterystyczne temperatury wynosząkilkadziesiąt(nadprzewodnictwo) a nawet kilkaset (antyferromagnetyzm) Kelwinów.

Układy f-elektronowe, które znajdują się w bezpośrednim sąsiedztwie niestabilności magnetycznych stanowią szczególnie dogodny materiał badawczy do studiowania kwantowych przejść fazowych(KPF). W wyniku zmiany pewnego parametru,jakim może być ciśnienie (p), dotowanie chemiczne (x) lub/i zewnętrzne pole magnetyczne (B) niektóre z tych układów można w sposób ciągły przeprowadzić zestanu uporządkowania magnetycznego do stanu niemagnetycznego w temperaturach biskich zeru bezwzględnemu. Punkt określony przez parametry B, plub/i x,w którym zachodzi magnetyczne fazowe przejście krytyczne nazywany jest kwantowym punktem krytycznym(KPK), gdyż w jego pobliżu fluktuacje kwantowe dominują nad fluktuacjami termicznymi. Wpływ kwantowego punktu krytycznego na,zarówno własności termodynamiczne,jak i transportowew temperaturach nawet kilkunastuKelwinówjest szczególnie widoczny w układach ciężkofermionowych, wktórych efektywne wygaszanie momentu magnetycznego jonów f-elektronowych (efekt Kondo) prowadzi do znacznej renormalizacji skali energetycznej. W istocie, w ciągu ostatnich lat pojawiają się coraz to nowe doniesienia wskazujące na realizacje stanu podstawowego, którego własności różnią się jakościowo od własności standardowej cieczy Fermiego opisywanego teorią Landaua (tzw. nielandauowska cieczFermiego). Spektakularnym tegoprzykładem sązwiązkiYbRh2Si2i CeRhIn5,dla którychzaobserwowano rozpad ciężkichkwazicząstekw pobliżu KPK co najprawdopodobniej skutkuje silną rekonstrukcjąpowierzchni Fermiego–będącą jedną z najbardziej podstawowych koncepcji współczesnej teorii metali. Przypuszcza się, że jest to uniwersalna cecha szerszej klasy układów, której zrozumienie może przyczynićsię do stworzenia teorii wyjaśniającej naturę niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa.

Głównym celem naukowym wnioskowanegoprojektu jest zbadanie rekonstrukcjipowierzchni Fermiego, która towarzyszy zmianom stanu podstawowego układów ciężkofermionowych pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Należy zaznaczyć, że realizacja przedłożonego projektu badawczego nie wymaga wyznaczenia kształtu powierzchni Fermiego. W celu poszukiwania zmian geometrii powierzchni Fermiegoindukowanych kwantowym punktem krytycznym i przejściemmetal-izolator planuje się wytworzenie nowego, unikatowegowskali światowej i niedostępnegokomercyjnie stanowiska badawczegow oparciu o układtrzech piezoelektrycznychrotatorów. Zadanie nr 1 „Wytworzenie stanowiska badawczego do pomiaru zależności kątowej magnetooporności w zakresie temperatur 0.084.2 K i w polach magnetycznych do 14 T” jest najbardziej kosztownym spośród wszystkich ośmiu zadań szczegółowych.Należy wyraźnie podkreślić, żejedynie zakupniezbędnych komponentów stanowi 73.1% całkowitego kosztu realizacji przedłożonego projektu. Fakt, że tego typu pomiary wykonuje się tylko w nielicznychlaboratoriach niskotemperaturowych na świecieświadczy o skali trudności przedłożonego projektu. Z drugiej strony, chłodziarka rozcieńczalnikowa3He-4He będąca na wyposażeniuINTiBS PAN we Wrocławiu (opiekunnaukowyprof. nadz. dr hab. Tomasz Cichorek) jest przygotowana dopodjęcia tego ambitnego zadania.

Spośród siedmiu pozostałych zadań szczegółowych (załącznik nr. 4) składającychsię na realizacje przedkładanego projektu, dwa zasługują na wyróżnienie, gdyż stanowią kontynuacją bardzo aktualnych badań nad układami po raz pierwszy otrzymanymi i scharakteryzowanymi w INTiBS PAN. Są to izolator Kondo CeOs4As12i niekonwencjonalny nadprzewodnik Ce2PdIn8, których podstawowe własności fizyczne zostały opisane w tak prestiżowych czasopismach,jak Preceedings of National Academy of Sciences, Physical Review Letters and Physical Review B.Planowany wkład w badania w/w układów felektronowych dotyczy:Anizotropiiindukowanego polem magnetycznym stanu metalicznego w układzie kubicznymCeOs4As12–Ten wypełniony skutterudyt arsenowy jest półprzewodnikiem z wąską przerwą energetyczną będącą wynikiemhybrydyzacji zlokalizowanych elektronów 4fi elektronów przewodnictwa. CeOs4As12jest jak dotąd jedynymukładem kubicznym, który wykazuje anizotropięprzerwy energetycznej,co dobitnie świadczy o wpływie silnych korelacji elektronowych. Wysokiej jakości monokryształy umożliwiąstudiowaniewpływu pola magnetycznego na zależność polarnąmagnetooporu w indukowanym polem magnetycznym stanie metalicznym w T < 3 K.

Wyznaczeniazależności kątowejgórnego pola krytycznegow płaszczyźnie bazowej Ce2PdIn8–jest to jeden z bardzo nielicznychprzykładów, wktórych ciężkofermionowe nadprzewodnictwomoże prowadzi do wystąpienia egotycznej fazy Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov. Dodajmy, ze ostatnie niskotemperaturowe pomiary oporu elektrycznego w polach wyższych niż górne pole krytyczne sugerują istnienieindukowanego polem magnetycznymkwantowego punktu krytycznego. Planuje się wyznaczenie symetriiparametru porządku oraz poszukiwanie dowodów na rekonstrukcje powierzchni Fermiego.

Wymiernym efektem podjętego problemu będzie obserwacja zjawisk fizycznych towarzyszących kwantowemu przejściu fazowemu oraz przejściu metal-izolator w wybranych układach ciężko fermionowych. Dzięki temu, możliwe będzie weryfikacja, nierzadko wzajemnie sprzecznych, modeli teoretycznych opisujących zachowanie się układów f-elektronowych w pobliżu kwantowego punktu krytycznego. Z uwagi na fakt, że badania zmian geometrii powierzchni Fermiego poprzez zależność kątową magnetooporności mają pionierski charakter oraz, że dotyczą bardzo aktualnej tematyki badawczej już teraz można spodziewać się szeregu ważkich wyników eksperymentalnych. Wnioskowany projekt dotyczy tematyki bardzo aktualnej o czym świadczy kilkaset artykułów naukowych, z których 3ukazały się w Nature, 4 w Science, 6 w Nature Physics, 71 w Physical Review Lettersi 163 w Physical Review B(od początku 2010 roku). Innym sposobem upowszechniania wyników będzie ich prezentacja na konferencjach w kraju i za granicą. Dotyczy to w szczególności konferencjiStrongly Correleted Electron Systems, Quantum Criticality and Novel Phases,International Conference of Magnetismpodczas których, przedstawiane są najważniejszeprace z zakresu współczesnej fizyki materii skondensowanej. Dodatkowym, wymiernym i bardzo ważnym efektem wnioskowanego projektu badawczego będzie rozbudowa bazy aparaturowej INTiBS PAN. W wyniku wytworzenia unikatowego w skali światowej stanowiska badawczego do pomiaru zależności kątowej magnetooporności w ekstremalnych warunkach T≥ 0.08 K i B14 T pojawią się nowe, niedostępne dotąd możliwości pomiarowe, które będę służyły nie tylko wrocławskiemu środowisku fizyków, ale również innym ośrodkom naukowym w Polsce.

Kierownik projektu pragnie podkreślić, że proponowany temat badawczy stanowi pomost między tematyką jego pracy doktorskiej „Niskotemperaturowe własności układów elektronowych wybranych związków arsenu” a dalszą karierą naukową. Część wyników dotyczących układów wypełnionych skutterudytów zostanie w ujętaw rozprawie doktorskiej, której obrona planowana jest w pierwszych miesiącach 2013, natomiast pozostałe zadania będą znakomitym początkiem nowego rozdziału w jego dalszej karierze naukowej.

Dodajmy, że zadania projektu będą również stanowiły część programu kilku praktyk studenckich.

Publikacje