Танец магнитных моментов: как давление переписывает правила квантового мира ✛ ✎

Оригинал: "Evidence of a Kondo lattice quantum critical point and of non-Fermi liquid behavior in the intercalated layered system V$$_{5}$$S$$_{8}$$"
arXiv:2408.09956 · 2024-08-19 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
В кристалле V5S8 давление в 10 ГПа гасит антиферромагнетизм и разрушает ферми-жидкость, открывая квантовую критическую точку в d-электронной решётке Кондо.

Танцпол, на котором магнитные моменты и электроны проводимости то ведут, то следуют друг за другом, — такова решётка Кондо в кристалле V5S8. При атмосферном давлении этот слоистый сульфид ванадия демонстрирует антиферромагнитный переход при 32 K: спины выстраиваются в противофазе, а электроны проводимости образуют ферми-жидкость с квадратичной зависимостью сопротивления от температуры. Коэффициент Зоммерфельда γ ≈ 70 мДж/(моль·K²) и коэффициент A ≈ 6×10⁻² мкОм·см/K² указывают на усиление эффективной массы в 3–5 раз по сравнению с расчётами DFT. Это тяжёлые квазичастицы — электроны, одетые в облако спиновых флуктуаций.

Отношение Кадоваки–Вудса RKW = 1.2×10⁻⁵ мкОм·см·(моль·K/мДж)² попадает в область промежуточной ренормализации массы. Это значит, что электроны в V5S8 не такие лёгкие, как в меди, но и не такие тяжёлые, как в классических соединениях с f-электронами.

Давление меняет музыку. В ячейке Бриджмена, где кристалл сжимается до 10 ГПа — это примерно в сто тысяч раз выше атмосферного, — температура Нееля плавно снижается до 9 ГПа, а затем резко падает. Одновременно показатель степени n в законе сопротивления ρ = ρ₀ + ATⁿ уменьшается от 2 до 1. Ферми-жидкость разрушается: вместо квадратичной зависимости сопротивление становится линейным. Это неферми-жидкостное поведение — признак квантовой критической точки, фазового перехода при нулевой температуре, управляемого квантовыми флуктуациями.

Кристаллы V5S8 можно вырастить в форме игл длиной до 1 мм — этого достаточно, чтобы измерить сопротивление вдоль оси c четырёхточечным методом.

Раньше считалось, что для квантовой критичности необходимы f-электроны — тяжёлые внутренние оболочки лантаноидов и актиноидов. Работа с V5S8 впервые показывает, что d-электроны переходных металлов тоже способны создавать решётку Кондо с критической точкой. Это расширяет диаграмму Дониаха на системы с узкими d-зонами и ставит под сомнение устоявшееся мнение. Что происходит при давлениях выше 10 ГПа? Сохраняются ли там тяжёлые квазичастицы или возникает новая неферми-жидкостная фаза? Ответы потребуют нейтронной дифракции под давлением и измерений сопротивления в более экстремальных условиях.

Танцпол не опустел. Музыка стала тише, но танцоры — магнитные моменты и электроны проводимости — продолжают движение, уже без ведущего. Квантовая критическая точка в V5S8 напоминает, что границы между состояниями вещества размыты, и давление способно переписать правила даже для, казалось бы, хорошо изученных материалов.

Давление 10 ГПа, при котором в V5S8 исчезает магнитный порядок, эквивалентно весу примерно ста автомобилей, поставленных на ноготь большого пальца.

C_p/T = \gamma + \beta T^2
Низкотемпературная теплоёмкость: линейный член γ (коэффициент Зоммерфельда) отражает плотность электронных состояний, а квадратичный член β — вклад фононов.
\rho = \rho_0 + A T^n
Электросопротивление: при ферми-жидкостном поведении n=2, а при неферми-жидкостном n≈1. Изменение n под давлением указывает на квантовую критичность.
Учёные
Emile Clapeyron
Понятия
ферми-жидкость решётка кагоме квантовая спиновая жидкость эффект Кондо антиферромагнетик поверхность Ферми температура Кюри кристаллическая решётка уровень Ферми антиферромагнитный порядок