Heavy fermion material
ٹھوس حالت طبیعیات میں، بھاری فرمیئن مواد ایک مخصوص قسم کا بین دھاتی مرکب ہوتا ہے، جس میں غیر بھرے ہوئے الیکٹران بینڈ میں 4f یا 5f الیکٹرانوں والے عناصر ہوتے ہیں۔ الیکٹران ایک قسم کے فرمیئن ہوتے ہیں، اور جب وہ ایسے مادوں میں پائے جاتے ہیں، تو انہیں بعض اوقات بھاری الیکٹران کہا جاتا ہے۔ بھاری فرمیئن مواد میں کم درجہ حرارت کی مخصوص حرارت ہوتی ہے جس کی لکیری اصطلاح آزاد الیکٹران ماڈل سے متوقع قیمت سے 1000 گنا زیادہ ہوتی ہے۔ بھاری فرمیئن مرکبات کی خصوصیات اکثر نایاب زمین یا ایکٹینائڈ آئنوں کے جزوی طور پر بھرے ہوئے ایف آربیٹلز سے حاصل ہوتی ہیں، جو مقامی مقناطیسی لمحات کی طرح برتاؤ کرتے ہیں۔ "ہیوی فرمیئن" کا نام اس حقیقت سے آیا ہے کہ فرمیئن اس طرح برتاؤ کرتا ہے جیسے اس کی موثر کمیت اس کے باقی کمیت سے زیادہ ہو۔ الیکٹرانوں کے معاملے میں، ایک خاص درجہ حرارت (عام طور پر 10 K) سے نیچے، ان دھاتی مرکبات میں کنڈکشن الیکٹران اس طرح برتاؤ کرتے ہیں جیسے ان کی موثر کمیت آزاد ذرہ کمیت سے 1000 گنا زیادہ ہو۔ یہ بڑی موثر کمیت کاڈوکی-ووڈس تناسب کے ذریعے الیکٹران-الیکٹران بکھرنے سے مزاحمت میں ایک بڑی شراکت میں بھی جھلکتی ہے۔ بھاری فرمیئن کا طرز عمل دھاتی، سپر کنڈکٹنگ، موصلیت اور مقناطیسی حالتوں سمیت مختلف قسم کی حالتوں میں پایا گیا ہے۔ خصوصیت کی مثالیں CeCu6، CeAl3، CeCu2Si2، YbAl3، UBe13 اور UPt3 ہیں۔ تاریخی جائزہ بھاری فرمیئن کے رویے کو کے اینڈریس، جے ای نے دریافت کیا۔ گریبینر اور ایچ آر۔ 1975 میں اوٹ، جس نے سی ای اے ایل 3 میں لکیری مخصوص حرارت کی صلاحیت کے بے پناہ طول و عرض کا مشاہدہ کیا۔ جبکہ ڈوپڈ سپر کنڈکٹرز پر تحقیقات اس نتیجے پر پہنچی کہ ایک مواد میں مقامی مقناطیسی لمحات اور سپر کنڈکٹیویٹی کا وجود مطابقت نہیں رکھتا تھا، اس کے برعکس دکھایا گیا تھا، جب 1979 میں فرینک اسٹیگلیچ اور دیگر۔ مواد CeCu2Si2 میں بھاری فرمیئن سپر کنڈکٹیویٹی دریافت کی۔ ہیوی فرمیئن مرکبات کے فیز ڈائیگرام میں کوانٹم کریٹیکل پوائنٹ اور غیر فرمی مائع رویے کی دریافت H. von Löhneyzen et al. 1994 میں ان مرکبات کی تحقیق میں دلچسپی میں ایک نیا اضافہ ہوا۔ ایک اور تجرباتی پیش رفت (گل لونزاریچ کے گروپ کی طرف سے) یہ مظاہرہ تھا کہ بھاری فرمینوں میں کوانٹم کریٹیکلٹی غیر روایتی سپر کنڈکٹیویٹی کی وجہ ہو سکتی ہے۔ بھاری فرمیئن مواد موجودہ سائنسی تحقیق میں ایک اہم کردار ادا کرتا ہے، جو غیر روایتی سپر کنڈکٹیویٹی، غیر فرمی مائع رویے اور کوانٹم کریٹیکلٹی کے لیے پروٹوٹائپکل مواد کے طور پر کام کرتا ہے۔ بھاری فرمیئن مرکبات میں مقامی مقناطیسی لمحات اور ترسیل الیکٹرانوں کے درمیان اصل تعامل اب بھی مکمل طور پر سمجھ میں نہیں آیا ہے اور یہ جاری تحقیقات کا موضوع ہے۔ خصوصیات بھاری فرمیئن مواد کا تعلق مضبوطی سے مربوط الیکٹران نظاموں کے گروپ سے ہے۔ بھاری فرمیئن مواد کے گروپ کے کئی ارکان نازک درجہ حرارت سے نیچے سپر کنڈکٹنگ بن جاتے ہیں۔ سپر کنڈکٹیویٹی غیر روایتی ہے۔ اعلی درجہ حرارت پر، بھاری فرمیئن مرکبات عام دھاتوں کی طرح برتاؤ کرتے ہیں اور الیکٹرانوں کو فرمی گیس کے طور پر بیان کیا جا سکتا ہے، جس میں الیکٹرانوں کو غیر تعامل کرنے والے فرمیئن سمجھا جاتا ہے۔ اس صورت میں، f الیکٹرانوں کے درمیان تعامل، جو ایک مقامی مقناطیسی لمحے اور ترسیل الیکٹرانوں کو پیش کرتے ہیں، کو نظر انداز کیا جا سکتا ہے۔ لیو لینڈو کا فرمی مائع نظریہ کم درجہ حرارت پر زیادہ تر بھاری فرمیئن مواد کی خصوصیات کو بیان کرنے کے لیے ایک اچھا نمونہ فراہم کرتا ہے۔ اس نظریہ میں، الیکٹرانوں کو قوسی پارٹیکلز کے ذریعے بیان کیا جاتا ہے، جن کے کوانٹم نمبر اور چارج ایک جیسے ہوتے ہیں، لیکن الیکٹرانوں کے تعامل کو ایک موثر کمیت متعارف کروا کر مدنظر رکھا جاتا ہے، جو آزاد الیکٹران کی اصل کمیت سے مختلف ہوتی ہے۔ آپٹیکل خصوصیات بھاری فرمیئن نظاموں کی نظری خصوصیات کو حاصل کرنے کے لیے، ان مواد کی آپٹیکل سپیکٹروسکوپی پیمائش کے ذریعے تحقیقات کی گئی ہیں۔ ان تجربات میں نمونے کو ٹیون ایبل طول موج کے ساتھ برقی مقناطیسی لہروں کے ذریعے تابکاری کی جاتی ہے۔ عکاسی شدہ یا منتقل شدہ روشنی کی پیمائش کرنے سے نمونے کی خصوصیت والی توانائیاں ظاہر ہوتی ہیں۔ خصوصیت کے ہم آہنگی کے درجہ حرارت سے اوپر، بھاری فرمیئن مواد عام دھاتوں کی طرح برتاؤ کرتے ہیں۔ ان کے نظری ردعمل کو ڈروڈ ماڈل کے ذریعے بیان کیا گیا ہے۔ تاہم ایک اچھی دھات کے مقابلے میں، اعلی درجہ حرارت پر بھاری فرمیئن مرکبات میں مقامی مقناطیسی لمحات (کم از کم ایک ایف الیکٹران فی یونٹ سیل) کی بڑی کثافت کی وجہ سے بکھرنے کی شرح زیادہ ہوتی ہے، جو (متضاد) کونڈو بکھرنے کا سبب بنتی ہے۔ اعلی بکھرنے کی شرح کی وجہ سے، ڈی سی اور کم تعدد پر چالکتا کافی کم ہے۔ کنڈکٹوٹی رول آف (ڈروڈ رول آف) اس تعدد پر ہوتا ہے جو آرام کی شرح سے مطابقت رکھتا ہے۔ ذیل میں، مقامی f الیکٹران کنڈکشن الیکٹرانوں کے ساتھ ہائبرڈائز ہوتے ہیں۔ اس سے موثر کمیت میں اضافہ ہوتا ہے، اور ہائبرڈائزیشن کا فرق پیدا ہوتا ہے۔ کونڈو موصلیتوں کے برعکس، بھاری فرمیئن مرکبات کی کیمیائی صلاحیت کنڈکشن بینڈ کے اندر ہوتی ہے۔ یہ تبدیلیاں بھاری فرمین کے نظری ردعمل میں دو اہم خصوصیات کا باعث بنتی ہیں۔ بھاری فرمیئن مواد کی تعدد پر منحصر چالکتا کا اظہار اس کے ذریعے کیا جا سکتا ہے، جس میں موثر کمیت اور ری نارملائزڈ نرمی کی شرح ہوتی ہے۔ بڑی موثر کمیت کی وجہ سے، ری نارملائزڈ آرام کا وقت بھی بڑھ جاتا ہے، جس کی وجہ سے عام دھاتوں کے مقابلے میں بہت کم تعدد پر ایک تنگ ڈروڈ رول آف ہوتا ہے۔ کم گیگا ہرٹز رینج میں بھاری فرمین میں اب تک اس طرح کی سب سے کم ڈروڈ نرمی کی شرح یو پی ڈی 2 اے ایل 3 میں پائی گئی۔ آپٹیکل کنڈکٹیویٹی میں گیپ جیسی خصوصیت براہ راست ہائبرڈائزیشن گیپ کی نمائندگی کرتی ہے، جو مقامی ایف الیکٹرانوں اور کنڈکشن الیکٹرانوں کے تعامل کی وجہ سے کھلتی ہے۔ چونکہ چالکتا مکمل طور پر ختم نہیں ہوتی ہے، اس لیے مشاہدہ شدہ خلا دراصل ایک سیڈو گیپ ہے۔ اس سے بھی زیادہ تعدد پر ہم عام انٹر بینڈ محرکات کی وجہ سے نظری چالکتا میں مقامی زیادہ سے زیادہ کا مشاہدہ کر سکتے ہیں۔ حرارت کی صلاحیت عام دھاتوں کے لیے مخصوص حرارت کم درجہ حرارت پر اور عام دھاتوں کے لیے، مخصوص حرارت الیکٹرانوں کی مخصوص حرارت پر مشتمل ہوتی ہے جو درجہ حرارت اور کرسٹل لیٹیس کمپن (فونون) کی مخصوص حرارت پر لکیری طور پر منحصر ہوتی ہے جو متناسب مستقل اور درجہ حرارت پر کیوبک طور پر منحصر ہوتی ہے۔ اوپر بیان کردہ درجہ حرارت کی حد میں، الیکٹرانک شراکت مخصوص حرارت کا بڑا حصہ ہے۔ آزاد الیکٹران ماڈل میں-ایک سادہ ماڈل سسٹم جو الیکٹران کے تعامل کو نظر انداز کرتا ہے-یا دھاتیں جو اس کے ذریعے بیان کی جا سکتی ہیں، الیکٹرانک مخصوص حرارت بولٹزمین مستقل، الیکٹران کثافت اور فرمی توانائی (قبضہ شدہ الیکٹرانک ریاستوں کی سب سے زیادہ واحد ذرہ توانائی) کے ذریعے دی جاتی ہے۔ متناسبیت مستقل کو سومر فیلڈ گتانک کہا جاتا ہے۔ حرارت کی صلاحیت اور "تھرمل ایفیکٹو ماس" کے درمیان تعلق کواڈریٹک منتشر تعلق والے الیکٹرانوں کے لیے (جیسا کہ فری الیکٹران گیس کے لیے)، فرمی توانائی εF ذرہ کی کمیت m کے الٹا متناسب ہے: جہاں فرمی لہر نمبر کا مطلب ہے جو الیکٹران کی کثافت پر منحصر ہے اور سب سے زیادہ قبضہ شدہ الیکٹران حالت کے لہر نمبر کی مطلق قیمت ہے۔ اس طرح، کیونکہ سومر فیلڈ پیرامیٹر الٹا متناسب ہے، ذرہ کی کمیت کے متناسب ہے اور کی اعلی اقدار کے لیے، دھات ایک فرمی گیس کے طور پر برتاؤ کرتی ہے جس میں ترسیل الیکٹرانوں کی کمیت زیادہ تھرمل ہوتی ہے۔ مثال: کم درجہ حرارت پر UBe13 بھاری فرمیئن مرکب UBe13 کی مخصوص حرارت کے لیے تجرباتی نتائج 0.75 K کے آس پاس کے درجہ حرارت پر ایک چوٹی دکھاتے ہیں جو درجہ حرارت 0 K تک پہنچنے پر اونچی ڈھلوان کے ساتھ صفر پر چلا جاتا ہے۔ اس چوٹی کی وجہ سے، عنصر اس درجہ حرارت کی حد میں آزاد الیکٹران ماڈل سے بہت زیادہ ہے۔ اس کے برعکس، 6 K سے اوپر، اس بھاری فرمیئن مرکب کے لیے مخصوص حرارت فری الیکٹران تھیوری سے متوقع قدر تک پہنچ جاتی ہے۔ کوانٹم کریٹیلٹی مقامی مومنٹ اور ڈی لوکلائزڈ کنڈکشن الیکٹرانوں کی موجودگی کونڈو تعامل (جو غیر مقناطیسی زمینی حالت کی حمایت کرتی ہے) اور آر کے کے وائی تعامل (جو مقناطیسی طور پر ترتیب شدہ ریاستیں پیدا کرتی ہے، عام طور پر بھاری فرمینوں کے لیے اینٹیفیرومیگنیٹک) کے مقابلے کا باعث بنتی ہے۔ بھاری فرمیئن اینٹیفیرومیگنیٹ کے نیل درجہ حرارت کو صفر تک دبا کر (مثال کے طور پر۔ دباؤ یا مقناطیسی میدان کا اطلاق کرکے یا مادی ساخت کو تبدیل کرکے)، ایک کوانٹم مرحلے کی منتقلی کو متاثر کیا جا سکتا ہے۔ کئی بھاری فرمیئن مادوں کے لیے یہ دکھایا گیا کہ اس طرح کی کوانٹم مرحلے کی منتقلی محدود درجہ حرارت پر بہت واضح غیر فرمی مائع خصوصیات پیدا کر سکتی ہے۔ اس طرح کے کوانٹم-کریٹیکل رویے کا غیر روایتی سپر کنڈکٹیویٹی کے تناظر میں بھی بڑی تفصیل سے مطالعہ کیا جاتا ہے۔ اچھی طرح سے مطالعہ شدہ کوانٹم اہم خصوصیات کے ساتھ بھاری فرمین مواد کی مثالیں CeCu6 − xAu، CeIn3، CePd2Si2، YbRh2Si2، اور CecoIn5 ہیں۔ کچھ بھاری فرمیئن مرکبات CecoIn5 URu2Si2 UPd2Al3 YbBiPt حوالہ جات مزید پڑھنے کٹیل، چارلس (1996) سالڈ اسٹیٹ فزکس کا تعارف، 7 واں ایڈیشن، جان ولی اینڈ سنز، انکارپوریٹڈ مارڈر، ایم پی۔ (2000)، کنڈینسڈ میٹر فزکس، جان ولی اینڈ سنز، نیویارک۔ ہیوسن، اے سی۔ (1993)، دی کونڈو پروبلم ٹو ہیوی فرمینز، کیمبرج یونیورسٹی پریس۔ فلڈے، پی۔ (1995)، سالمات اور ٹھوسوں میں الیکٹران ارتباط، سپرنگر، برلن۔ مربوط الیکٹران فرمیئنز کنڈینسڈ میٹر فزکس