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Por trás do efeito Kondo: por que uma única impureza pode afetar as propriedades de um metal inteiro?
No mundo da matéria metálica, impurezas individuais podem possuir poderes inesperados. Este fenômeno pode ser compreendido em parte através do modelo de impurezas de Anderson, uma ferramenta teórica usada para descrever impurezas magnéticas incorporadas em metais. À medida que a pesquisa se aprofunda, os cientistas compreendem gradualmente como essas impurezas alteram as propriedades de todo o metal, formando assim o efeito Kondo.
Conceitos básicos do modelo de impurezas de Anderson
O modelo de impurezas de Anderson foi proposto pelo famoso físico Philip Warren Anderson, que envolve principalmente a descrição de impurezas magnéticas em metais. O modelo contém vários componentes-chave, incluindo a energia cinética dos elétrons de condução, um termo de ordem bienergética que descreve os níveis de energia de impureza e um termo híbrido que acopla o elétron de condução e os orbitais de impureza. Na sua forma mais simples, o hamiltoniano deste modelo pode ser escrito como:
H = Σk,σεkckσ†ckσ + Σσ εσdσ†dσ + U d↑†d↑< /sub>d↓†d↓ + Σk,σVk(dσ< /sub>†ckσ + ckσ†dσ)
Neste modelo, c é o operador de eliminação dos elétrons de condução, enquanto d é o operador de eliminação de impurezas, k é o vetor de onda dos elétrons de condução e σ marca o spin. Os parâmetros no hamiltoniano incluem a repulsão de Coulomb U da impureza e a força de acoplamento V.
Diferentes escopos de trabalho
Com base na relação entre o nível de energia da impureza e o nível de Fermi, o modelo de Anderson forma diversas categorias diferentes:
- Categoria de órbita vazia: Quando εd ≫ EF, não há momento magnético local.
- Categoria intermediária: Quando εd ≈ EF, um momento magnético local pode ocorrer.
- Categoria de momento magnético local:Quando εd ≪ EF ≪ (εd + U) , o momento magnético gerado será protegido por Kondo em baixa temperatura e transformado em muitos estados de rotação do corpo não magnético.
Modelo de Anderson em sistema Fermi pesado
Ao estudar mais os sistemas de férmions pesados, os cientistas usaram o modelo periódico de Anderson para descrever a estrutura reticulada de uma impureza. Isso pode ajudar a entender como os elétrons orbitais f interagem entre si em sistemas Fermi pesados sob certas condições. Sua forma hamiltoniana é:
H = Σk,σεkckσ†ckσ + Σj ,σεffjσ†fjσ + U Σjfj ↑†fj↑fj↓†fj↓ + Σj,k,σVjk(eikxjfjσ†ckσ + e< sup>−ikxjckσ†fjσ)
Aqui, xj é a informação de posição da impureza. Essas interações complexas mostram que mesmo a uma distância relativamente longa, ainda há uma influência profunda entre os elétrons orbitais f.
Desenvolvimento do modelo SU(4) Anderson
Além do modelo tradicional de Anderson, existem muitas variantes, como o modelo SU(4) de Anderson, que descreve impurezas com spin e liberdade orbital e é particularmente adequado para sistemas de pontos quânticos de nanotubos de carbono. O hamiltoniano do modelo SU(4) é o seguinte:
H = Σk,σεkckσ†ckσ + Σi ,σεddiσ†diσ + Σi,σ,i′σ′(U/2)niσni′σ′ + Σi,k,σVk (diσ†ckσ + ckσ†diσ)
Neste modelo, o acoplamento adicional de spins e orbitais fornece uma compreensão mais profunda dos sistemas multieletrônicos.
Conclusão
O efeito Kondo permite-nos ver que uma única impureza num metal pode ter um impacto profundo nas propriedades globais, desencadeando assim muitos fenómenos físicos delicados. Além disso, através de diferentes modelos, podemos obter insights sobre essas interações complexas e a base teórica por trás delas. Então, quantas dessas descobertas incríveis estarão esperando para serem exploradas no futuro?
