Heavy fermion material
திட-நிலை இயற்பியலில், கனமான ஃபெர்மியன் பொருட்கள் என்பது ஒரு குறிப்பிட்ட வகை உலோகங்களுக்கிடையேயான சேர்மமாகும், இது நிரப்பப்படாத எலக்ட்ரான் பட்டைகளில் 4f அல்லது 5f எலக்ட்ரான்கள் கொண்ட உறுப்புகளைக் கொண்டுள்ளது. எலக்ட்ரான்கள் ஒரு வகை ஃபெர்மியான் ஆகும், மேலும் அவை அத்தகைய பொருட்களில் காணப்படும் போது, அவை சில நேரங்களில் கனமான எலக்ட்ரான்கள் என்று குறிப்பிடப்படுகின்றன. கனமான ஃபெர்மியன் பொருட்கள் குறைந்த வெப்பநிலை குறிப்பிட்ட வெப்பத்தைக் கொண்டுள்ளன, அதன் நேரியல் சொல் இலவச எலக்ட்ரான் மாதிரியிலிருந்து எதிர்பார்க்கப்படும் மதிப்பை விட 1000 மடங்கு அதிகமாகும். கனமான ஃபெர்மியன் சேர்மங்களின் பண்புகள் பெரும்பாலும் அரிய-பூமி அல்லது ஆக்டினைடு அயனிகளின் ஓரளவு நிரப்பப்பட்ட எஃப்-சுற்றுப்பாதைகளிலிருந்து பெறப்படுகின்றன, அவை உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்ட காந்த தருணங்களைப் போல செயல்படுகின்றன. "கனமான ஃபெர்மியன்" என்ற பெயர் ஃபெர்மியன் அதன் ஓய்வு வெகுஜனத்தை விட அதிக செயல்திறன் கொண்ட வெகுஜனத்தைக் கொண்டிருப்பதைப் போல செயல்படுகிறது என்பதிலிருந்து வருகிறது. எலக்ட்ரான்களைப் பொறுத்தவரை, ஒரு சிறப்பியல்பு வெப்பநிலைக்கு (பொதுவாக 10 K) கீழே, இந்த உலோக சேர்மங்களில் உள்ள கடத்தல் எலக்ட்ரான்கள் அவை இலவச துகள் வெகுஜனத்தை விட 1000 மடங்கு பயனுள்ள வெகுஜனத்தைக் கொண்டிருப்பதைப் போல செயல்படுகின்றன. இந்த பெரிய பயனுள்ள நிறை கடாவாகி-வூட்ஸ் விகிதம் வழியாக எலக்ட்ரான்-எலக்ட்ரான் சிதறலில் இருந்து எதிர்ப்புக்கு ஒரு பெரிய பங்களிப்பில் பிரதிபலிக்கிறது. உலோகம், சூப்பர் கண்டக்டிங், இன்சுலேடிங் மற்றும் காந்த நிலைகள் உள்ளிட்ட பல்வேறு நிலைகளில் கனமான ஃபெர்மியன் நடத்தை கண்டறியப்பட்டுள்ளது. CeCu6, CeAl3, CeCu2Si2, YbAl3, UBe13 மற்றும் UPt3 ஆகியவை சிறப்பியல்பு எடுத்துக்காட்டுகளாகும். வரலாற்று கண்ணோட்டம் கனமான ஃபெர்மியன் நடத்தை கே. ஆண்ட்ரெஸ், ஜே. இ. கிரேப்னர் மற்றும் எச். ஆர். 1975 ஆம் ஆண்டில் ஓட், CeAl3 இல் நேரியல் குறிப்பிட்ட வெப்ப திறனின் மகத்தான அளவைக் கவனித்தார். டோப் செய்யப்பட்ட சூப்பர் கண்டக்டர்கள் பற்றிய விசாரணைகள் ஒரு பொருளில் உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்ட காந்த தருணங்கள் மற்றும் சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டி இருப்பது பொருந்தாது என்ற முடிவுக்கு வழிவகுத்தாலும், 1979 ஆம் ஆண்டில் ஃபிராங்க் ஸ்டெக்லிச் மற்றும் பலர் இருந்தபோது இதற்கு நேர்மாறாக காட்டப்பட்டது. CeCu2Si2 என்ற மூலப்பொருளில் கனமான ஃபெர்மியான் சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டி கண்டுபிடிக்கப்பட்டது. கனமான ஃபெர்மியன் சேர்மங்களின் கட்ட வரைபடத்தில் ஒரு குவாண்டம் முக்கியமான புள்ளி மற்றும் ஃபெர்மி அல்லாத திரவ நடத்தை கண்டுபிடிப்பு எச். வான் லோஹ்னீசன் மற்றும் பலர். 1994 ஆம் ஆண்டில் இந்த சேர்மங்களின் ஆராய்ச்சியில் ஆர்வம் ஒரு புதிய உயர்வுக்கு வழிவகுத்தது. மற்றொரு சோதனை திருப்புமுனை (கில் லோன்சாரிச் குழுவால்) கனமான ஃபெர்மியன்களில் உள்ள குவாண்டம் கிரிட்டிக்காலிட்டி வழக்கத்திற்கு மாறான சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டிக்கு காரணமாக இருக்கலாம் என்பதை நிரூபித்தது. கனமான ஃபெர்மியன் பொருட்கள் தற்போதைய அறிவியல் ஆராய்ச்சியில் முக்கிய பங்கு வகிக்கின்றன, வழக்கத்திற்கு மாறான சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டி, ஃபெர்மி அல்லாத திரவ நடத்தை மற்றும் குவாண்டம் கிரிட்டிக்காலிட்டி ஆகியவற்றிற்கான முன்மாதிரி பொருட்களாக செயல்படுகின்றன. கனமான ஃபெர்மியான் சேர்மங்களில் உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்ட காந்த தருணங்களுக்கும் கடத்தல் எலக்ட்ரான்களுக்கும் இடையிலான உண்மையான தொடர்பு இன்னும் முழுமையாக புரிந்து கொள்ளப்படவில்லை மற்றும் தொடர்ச்சியான விசாரணையின் தலைப்பாகும். பண்புகள் கனமான ஃபெர்மியன் பொருட்கள் வலுவாக ஒன்றோடொன்று தொடர்புடைய எலக்ட்ரான் அமைப்புகளின் குழுவைச் சேர்ந்தவை. கனமான ஃபெர்மியன் பொருட்களின் குழுவின் பல உறுப்பினர்கள் ஒரு முக்கியமான வெப்பநிலைக்கு கீழே சூப்பர் கண்டக்டிங் ஆகிறார்கள். சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டி வழக்கத்திற்கு மாறானது. அதிக வெப்பநிலையில், கனமான ஃபெர்மியன் சேர்மங்கள் சாதாரண உலோகங்களைப் போல செயல்படுகின்றன, மேலும் எலக்ட்ரான்களை ஃபெர்மி வாயு என்று விவரிக்கலாம், இதில் எலக்ட்ரான்கள் தொடர்பு கொள்ளாத ஃபெர்மியன்களாக கருதப்படுகின்றன. இந்த வழக்கில், ஒரு உள்ளூர் காந்த தருணத்தையும் கடத்தல் எலக்ட்ரான்களையும் வழங்கும் f எலக்ட்ரான்களுக்கு இடையிலான தொடர்பு புறக்கணிக்கப்படலாம். லெவ் லாண்டாவின் ஃபெர்மி திரவக் கோட்பாடு குறைந்த வெப்பநிலையில் மிகவும் கனமான ஃபெர்மியன் பொருட்களின் பண்புகளை விவரிக்க ஒரு நல்ல மாதிரியை வழங்குகிறது. இந்தக் கோட்பாட்டில், எலக்ட்ரான்கள் ஒரே குவாண்டம் எண்கள் மற்றும் சார்ஜ் கொண்ட குவாசி துகள்களால் விவரிக்கப்படுகின்றன, ஆனால் எலக்ட்ரான்களின் தொடர்பு ஒரு பயனுள்ள வெகுஜனத்தை அறிமுகப்படுத்துவதன் மூலம் கணக்கில் எடுத்துக் கொள்ளப்படுகிறது, இது ஒரு இலவச எலக்ட்ரானின் உண்மையான வெகுஜனத்திலிருந்து வேறுபடுகிறது. ஒளியியல் பண்புகள் கனமான ஃபெர்மியன் அமைப்புகளின் ஒளியியல் பண்புகளைப் பெறுவதற்காக, இந்த பொருட்கள் ஒளியியல் நிறமாலை அளவீடுகள் மூலம் ஆராயப்பட்டுள்ளன. இந்த சோதனைகளில் மாதிரி மின்காந்த அலைகளால் டியூனபிள் அலைநீளத்துடன் கதிர்வீச்சு செய்யப்படுகிறது. பிரதிபலித்த அல்லது பரவும் ஒளியை அளவிடுவது மாதிரியின் சிறப்பியல்பு ஆற்றல்களை வெளிப்படுத்துகிறது. குணாதிசய ஒத்திசைவு வெப்பநிலைக்கு மேல், கனமான ஃபெர்மியன் பொருட்கள் சாதாரண உலோகங்களைப் போல செயல்படுகின்றன. அவற்றின் ஒளியியல் பதில் ட்ரூட் மாதிரியால் விவரிக்கப்படுகிறது. இருப்பினும், ஒரு நல்ல உலோகத்துடன் ஒப்பிடும்போது, அதிக வெப்பநிலையில் கனமான ஃபெர்மியன் சேர்மங்கள் அதிக சிதறல் விகிதத்தைக் கொண்டுள்ளன, ஏனெனில் உள்ளூர் காந்த தருணங்களின் அதிக அடர்த்தி (ஒரு யூனிட் செல்லுக்கு குறைந்தது ஒரு எஃப் எலக்ட்ரான்), இது (ஒத்திசைவற்ற) கோண்டோ சிதறலை ஏற்படுத்துகிறது. அதிக சிதறல் விகிதம் காரணமாக, டி. சி மற்றும் குறைந்த அதிர்வெண்களில் கடத்துத்திறன் குறைவாக உள்ளது. ஒரு கடத்துத்திறன் ரோல்-ஆஃப் (ட்ரூட் ரோல்-ஆஃப்) தளர்வு விகிதத்துடன் ஒத்த அதிர்வெண்ணில் நிகழ்கிறது. கீழே, உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்ட f எலக்ட்ரான்கள் கடத்தல் எலக்ட்ரான்களுடன் கலப்பினமாக்கப்படுகின்றன. இது மேம்பட்ட பயனுள்ள வெகுஜனத்திற்கு வழிவகுக்கிறது, மேலும் ஒரு கலப்பின இடைவெளி உருவாகிறது. கோண்டோ மின்கடத்திகளுக்கு மாறாக, கனமான ஃபெர்மியன் சேர்மங்களின் வேதியியல் திறன் கடத்தல் பட்டைக்குள் உள்ளது. இந்த மாற்றங்கள் கனமான ஃபெர்மியன்களின் ஒளியியல் பதிலில் இரண்டு முக்கிய அம்சங்களுக்கு வழிவகுக்கின்றன. கனமான-ஃபெர்மியன் பொருட்களின் அதிர்வெண் சார்ந்த கடத்துத்திறனை, பயனுள்ள நிறை மற்றும் மறுசீரமைக்கப்பட்ட தளர்வு விகிதத்தைக் கொண்டிருப்பதன் மூலம் வெளிப்படுத்தலாம். பெரிய பயனுள்ள நிறை காரணமாக, மறுசீரமைக்கப்பட்ட தளர்வு நேரமும் மேம்படுத்தப்படுகிறது, இது சாதாரண உலோகங்களுடன் ஒப்பிடும்போது மிகக் குறைந்த அதிர்வெண்களில் குறுகிய ட்ரூட் ரோல்-ஆஃப் செய்ய வழிவகுக்கிறது. குறைந்த ஜிகாஹெர்ட்ஸ் வரம்பில், கனமான ஃபெர்மியன்களில் இதுவரை காணப்பட்ட மிகக் குறைந்த ட்ரூட் தளர்வு விகிதம் யுபிடி2ஏஎல்3 இல் கண்டறியப்பட்டது. ஒளியியல் கடத்துத்திறனில் உள்ள இடைவெளி போன்ற அம்சம் நேரடியாக கலப்பின இடைவெளியைக் குறிக்கிறது, இது உள்ளூர்மயமாக்கப்பட்ட f எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் கடத்தல் எலக்ட்ரான்களின் தொடர்பு காரணமாக திறக்கிறது. கடத்துத்திறன் முற்றிலும் மறைந்துவிடாததால், கவனிக்கப்பட்ட இடைவெளி உண்மையில் ஒரு போலி இடைவெளி. இன்னும் அதிக அதிர்வெண்களில் சாதாரண இடைப்பட்டை கிளர்ச்சிகள் காரணமாக ஒளியியல் கடத்துத்திறனில் ஒரு உள்ளூர் அதிகபட்சத்தை நாம் கவனிக்க முடியும். வெப்பத் திறன் இயல்பான உலோகங்களுக்கான குறிப்பிட்ட வெப்பம் குறைந்த வெப்பநிலை மற்றும் இயல்பான உலோகங்களுக்கு, குறிப்பிட்ட வெப்பம் எலக்ட்ரான்களின் குறிப்பிட்ட வெப்பத்தைக் கொண்டுள்ளது, இது வெப்பநிலை மற்றும் படிக லட்டிஸ் அதிர்வுகளின் (ஃபோனான்கள்) குறிப்பிட்ட வெப்பத்தை நேரியல் ரீதியாக சார்ந்துள்ளது, இது விகிதாசார மாறிலிகள் மற்றும் வெப்பநிலையை கியூபிக்கலாக சார்ந்துள்ளது. மேலே குறிப்பிட்டுள்ள வெப்பநிலை வரம்பில், மின்னணு பங்களிப்பு குறிப்பிட்ட வெப்பத்தின் முக்கிய பகுதியாகும். இலவச எலக்ட்ரான் மாதிரியில்-எலக்ட்ரான் தொடர்புகளை புறக்கணிக்கும் ஒரு எளிய மாதிரி அமைப்பு-அல்லது அது விவரிக்கக்கூடிய உலோகங்கள், மின்னணு குறிப்பிட்ட வெப்பம் போல்ட்ஸ்மேன் மாறிலி, எலக்ட்ரான் அடர்த்தி மற்றும் ஃபெர்மி ஆற்றல் (ஆக்கிரமிக்கப்பட்ட மின்னணு நிலைகளின் மிக உயர்ந்த ஒற்றை துகள் ஆற்றல்) ஆகியவற்றால் வழங்கப்படுகிறது. விகிதாசார மாறிலி சோமர்ஃபெல்ட் குணகம் என்று அழைக்கப்படுகிறது. வெப்பத் திறனுக்கும் "வெப்பச் செயல்திறன் நிறைக்கும்" இடையிலான உறவு இருபடி சிதறல் உறவைக் கொண்ட எலக்ட்ரான்களுக்கு (ஃப்ரீ-எலக்ட்ரான் வாயுவைப் பொறுத்தவரை), ஃபெர்மி ஆற்றல் εF என்பது துகள் நிறை m க்கு நேர்மாறான விகிதாசாரத்தில் உள்ளதுஃ இது எலக்ட்ரான் அடர்த்தியைப் பொறுத்து ஃபெர்மி அலை எண்ணைக் குறிக்கிறது மற்றும் மிக உயர்ந்த ஆக்கிரமிக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான் நிலையின் அலை எண்ணின் முழுமையான மதிப்பாகும். எனவே, சோமர்ஃபெல்ட் அளவுரு இதற்கு நேர்மாறான விகிதாசாரத்தில் இருப்பதால், இது துகள் வெகுஜனத்திற்கு விகிதாசாரமாகும், மேலும் அதிக மதிப்புகளுக்கு, உலோகம் ஒரு ஃபெர்மி வாயுவாக செயல்படுகிறது, இதில் கடத்தல் எலக்ட்ரான்கள் அதிக வெப்ப செயல்திறன் கொண்ட வெகுஜனத்தைக் கொண்டுள்ளன. எடுத்துக்காட்டுஃ குறைந்த வெப்பநிலையில் UBe13 கனமான ஃபெர்மியன் சேர்மத்தின் குறிப்பிட்ட வெப்பத்திற்கான சோதனை முடிவுகள் UBe13 சுமார் 0.75 K வெப்பநிலையில் ஒரு உச்சத்தைக் காட்டுகிறது, இது வெப்பநிலை 0 K ஐ நெருங்கினால் அதிக சாய்வுடன் பூஜ்ஜியத்திற்குச் செல்கிறது. இந்த உச்சநிலை காரணமாக, இந்த வெப்பநிலை வரம்பில் உள்ள இலவச எலக்ட்ரான் மாதிரியை விட காரணி மிக அதிகமாக உள்ளது. இதற்கு மாறாக, 6 K க்கு மேல், இந்த கனமான ஃபெர்மியன் சேர்மத்திற்கான குறிப்பிட்ட வெப்பம் ஃப்ரீ-எலக்ட்ரான் கோட்பாட்டிலிருந்து எதிர்பார்க்கப்படும் மதிப்பை நெருங்குகிறது. குவாண்டம் கிரிட்டிக்காலிட்டி லோக்கல் மொமெண்ட் மற்றும் டெலோகலைஸ் செய்யப்பட்ட கடத்தல் எலக்ட்ரான்களின் இருப்பு கோண்டோ தொடர்பு (இது காந்தமற்ற தரை நிலையை ஆதரிக்கிறது) மற்றும் ஆர். கே. கே. ஒய் தொடர்பு (இது காந்த ரீதியாக வரிசைப்படுத்தப்பட்ட நிலைகளை உருவாக்குகிறது, பொதுவாக கனமான ஃபெர்மியன்களுக்கு ஆன்டிஃபெரோ காந்தம்) ஆகியவற்றின் போட்டிக்கு வழிவகுக்கிறது. கனமான ஃபெர்மியன் ஆன்டிஃபெரோமேக்னெட்டின் நீல் வெப்பநிலையை பூஜ்ஜியத்திற்குக் குறைப்பதன் மூலம் (எ. கா. அழுத்தம் அல்லது காந்தப்புலத்தைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் அல்லது பொருள் கலவையை மாற்றுவதன் மூலம்), ஒரு குவாண்டம் கட்ட மாற்றத்தைத் தூண்டலாம். பல கனமான ஃபெர்மியன் பொருட்களுக்கு, அத்தகைய குவாண்டம் கட்ட மாற்றம் வரையறுக்கப்பட்ட வெப்பநிலையில் மிகவும் உச்சரிக்கப்படும் ஃபெர்மி அல்லாத திரவ பண்புகளை உருவாக்க முடியும் என்று காட்டப்பட்டது. இத்தகைய குவாண்டம்-கிரிட்டிகல் நடத்தை வழக்கத்திற்கு மாறான சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டி சூழலில் மிக விரிவாக ஆய்வு செய்யப்படுகிறது. நன்கு ஆய்வு செய்யப்பட்ட குவாண்டம்-முக்கியமான பண்புகளைக் கொண்ட கனமான ஃபெர்மியன் பொருட்களின் எடுத்துக்காட்டுகள் CeCu6 − xAu, CeIn3, CePd2Si2, YbRh2Si2, மற்றும் CecoIn5 ஆகும். சில கனமான ஃபெர்மியன் சேர்மங்கள் CecoIn5 URu2Si2 UPd2Al3 YbBiPt குறிப்புகள் மேலும் வாசிப்பு கிட்டல், சார்லஸ் (1996) திட நிலை இயற்பியலின் அறிமுகம், 7 வது பதிப்பு, ஜான் வில்லி அண்ட் சன்ஸ், இன்க். மார்டர், எம். பி. (2000), ஒடுக்கப்பட்ட பொருள் இயற்பியல், ஜான் வில்லி & சன்ஸ், நியூயார்க். ஹெவ்சன், ஏ. சி. (1993), தி கோண்டோ பிராப்ளம் டு ஹெவி ஃபெர்மியன்ஸ், கேம்பிரிட்ஜ் யுனிவர்சிட்டி பிரஸ். ஃபுல்டே, பி. (1995), மூலக்கூறுகள் மற்றும் திடப்பொருட்களில் எலக்ட்ரான் தொடர்புகள், ஸ்பிரிங்கர், பெர்லின். தொடர்புடைய எலக்ட்ரான்கள் ஃபெர்மியன்கள் அமுக்கப்பட்ட பொருள் இயற்பியல்