Heavy fermion material
কঠিন-অবস্থা পদার্থবিজ্ঞানে, ভারী ফার্মিয়ন পদার্থগুলি একটি নির্দিষ্ট ধরনের আন্তঃধাতু যৌগ, যা অসম্পূর্ণ ইলেক্ট্রন ব্যান্ডে 4f বা 5f ইলেকট্রন সহ উপাদান ধারণ করে। ইলেকট্রন হল এক ধরনের ফার্মিয়ন, এবং যখন এগুলি এই ধরনের পদার্থগুলিতে পাওয়া যায়, তখন এগুলিকে কখনও কখনও ভারী ইলেকট্রন হিসাবে উল্লেখ করা হয়। ভারী ফার্মিয়ন পদার্থের একটি নিম্ন-তাপমাত্রার নির্দিষ্ট তাপ থাকে যার রৈখিক পদটি মুক্ত ইলেক্ট্রন মডেল থেকে প্রত্যাশিত মানের চেয়ে 1000 গুণ বেশি। ভারী ফার্মিয়ন যৌগের বৈশিষ্ট্যগুলি প্রায়শই বিরল-পৃথিবী বা অ্যাক্টিনাইড আয়নগুলির আংশিকভাবে ভরা এফ-অরবিটাল থেকে উদ্ভূত হয়, যা স্থানীয় চৌম্বকীয় মুহুর্তের মতো আচরণ করে। "ভারী ফার্মিয়ন" নামটি এসেছে এই সত্য থেকে যে ফার্মিয়ন এমন আচরণ করে যেন তার বিশ্রাম ভরের চেয়ে বেশি কার্যকর ভর রয়েছে। ইলেকট্রনের ক্ষেত্রে, একটি চরিত্রগত তাপমাত্রার (সাধারণত 10 কেলভিন) নিচে, এই ধাতব যৌগগুলির পরিবহন ইলেকট্রনগুলি এমন আচরণ করে যেন তাদের মুক্ত কণার ভরের 1000 গুণ পর্যন্ত কার্যকর ভর রয়েছে। এই বিশাল কার্যকরী ভর কাডোয়াকি-উড অনুপাতের মাধ্যমে ইলেক্ট্রন-ইলেকট্রন বিচ্ছুরণ থেকে প্রতিরোধকতায় একটি বড় অবদানের মধ্যেও প্রতিফলিত হয়। ভারী ফার্মিয়নের আচরণ ধাতু, অতিপরিবাহী, অন্তরক এবং চৌম্বকীয় অবস্থা সহ বিভিন্ন অবস্থায় পাওয়া গেছে। বৈশিষ্ট্যগত উদাহরণগুলি হল CeCu6, CeAl3, CeCu2Si2, YbAl3, UBe13 এবং UPt3। ঐতিহাসিক সংক্ষিপ্ত বিবরণ কে. আন্দ্রেস, জে. ই. দ্বারা ভারী ফার্মিওন আচরণ আবিষ্কৃত হয়েছিল। গ্রেবনার এবং এইচ. আর. 1975 সালে ওট, যিনি সি. ই. এ. এল 3-এ রৈখিক নির্দিষ্ট তাপ ক্ষমতার বিশাল মাত্রা পর্যবেক্ষণ করেছিলেন। যদিও ডোপড সুপারকন্ডাক্টরগুলির তদন্তগুলি এই সিদ্ধান্তে পৌঁছেছিল যে একটি উপাদানের মধ্যে স্থানীয় চৌম্বকীয় মুহুর্ত এবং অতিপরিবাহীতার অস্তিত্ব অসামঞ্জস্যপূর্ণ ছিল, বিপরীতটি দেখানো হয়েছিল, যখন 1979 সালে ফ্রাঙ্ক স্টেগলিচ এট আল। CeCu2Si2 উপাদানে ভারী ফার্মিওন অতিপরিবাহীতা আবিষ্কৃত হয়েছে। এইচ. ভন লোহনেসেন এবং অন্যান্যদের দ্বারা ভারী ফার্মিয়ন যৌগের পর্যায় রেখাচিত্রে একটি কোয়ান্টাম সমালোচনামূলক বিন্দু এবং অ-ফার্মি তরল আচরণের আবিষ্কার। 1994 সালে এই যৌগগুলির গবেষণার প্রতি আগ্রহের এক নতুন উত্থান ঘটে। আরেকটি পরীক্ষামূলক অগ্রগতি ছিল (গিল লোনজারিচের দলের দ্বারা) যে ভারী ফার্মিয়নে কোয়ান্টাম সমালোচনা অপ্রচলিত অতিপরিবাহীতার কারণ হতে পারে। ভারী ফার্মিয়ন পদার্থগুলি বর্তমান বৈজ্ঞানিক গবেষণায় একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে, যা অপ্রচলিত অতিপরিবাহী, অ-ফার্মি তরল আচরণ এবং কোয়ান্টাম সমালোচনামূলকতার জন্য প্রোটোটাইপিক্যাল উপকরণ হিসাবে কাজ করে। ভারী ফার্মিয়ন যৌগে স্থানীয় চৌম্বকীয় মুহূর্ত এবং পরিবহন ইলেকট্রনের মধ্যে প্রকৃত মিথস্ক্রিয়া এখনও সম্পূর্ণরূপে বোঝা যায় না এবং এটি একটি চলমান তদন্তের বিষয়। বৈশিষ্ট্য ভারী ফার্মিয়ন পদার্থগুলি দৃঢ়ভাবে পরস্পর সম্পর্কিত ইলেক্ট্রন সিস্টেমের গোষ্ঠীর অন্তর্গত। ভারী ফার্মিয়ন পদার্থের গোষ্ঠীর বেশ কয়েকজন সদস্য একটি সংকটপূর্ণ তাপমাত্রার নিচে অতিপরিবাহী হয়ে ওঠে। অতিপরিবাহীতা অপ্রচলিত। উচ্চ তাপমাত্রায়, ভারী ফার্মিওন যৌগগুলি স্বাভাবিক ধাতুর মতো আচরণ করে এবং ইলেকট্রনগুলিকে একটি ফার্মি গ্যাস হিসাবে বর্ণনা করা যেতে পারে, যেখানে ইলেকট্রনগুলিকে অ-মিথস্ক্রিয়াশীল ফার্মিওন হিসাবে ধরে নেওয়া হয়। এই ক্ষেত্রে, f ইলেকট্রনগুলির মধ্যে মিথস্ক্রিয়া, যা একটি স্থানীয় চৌম্বকীয় মুহূর্ত এবং পরিবহন ইলেকট্রন উপস্থাপন করে, তা উপেক্ষা করা যেতে পারে। লেভ ল্যান্ডাউ-এর ফার্মি তরল তত্ত্ব কম তাপমাত্রায় বেশিরভাগ ভারী ফার্মিওন পদার্থের বৈশিষ্ট্য বর্ণনা করার জন্য একটি ভাল মডেল সরবরাহ করে। এই তত্ত্বে, ইলেকট্রনগুলিকে কোয়াসিপার্টিকাল দ্বারা বর্ণনা করা হয়, যার কোয়ান্টাম সংখ্যা এবং চার্জ একই, তবে ইলেকট্রনগুলির মিথস্ক্রিয়াকে একটি কার্যকর ভর প্রবর্তনের মাধ্যমে বিবেচনা করা হয়, যা একটি মুক্ত ইলেক্ট্রনের প্রকৃত ভর থেকে আলাদা। অপটিক্যাল বৈশিষ্ট্য ভারী ফার্মিয়ন সিস্টেমের অপটিক্যাল বৈশিষ্ট্যগুলি পাওয়ার জন্য, এই উপকরণগুলি অপটিক্যাল স্পেকট্রোস্কোপি পরিমাপ দ্বারা তদন্ত করা হয়েছে। এই পরীক্ষাগুলিতে নমুনাটি টিউনেবল তরঙ্গদৈর্ঘ্য সহ বৈদ্যুতিন চৌম্বকীয় তরঙ্গ দ্বারা বিকিরণ করা হয়। প্রতিফলিত বা সঞ্চারিত আলো পরিমাপ করলে নমুনার বৈশিষ্ট্যগত শক্তি প্রকাশ পায়। বৈশিষ্ট্যগত সঙ্গতি তাপমাত্রার উপরে, ভারী ফার্মিয়ন পদার্থগুলি স্বাভাবিক ধাতুর মতো আচরণ করে; অর্থাৎ। তাদের আলোকীয় প্রতিক্রিয়া ড্রুড মডেল দ্বারা বর্ণনা করা হয়েছে। তবে একটি ভাল ধাতুর তুলনায়, উচ্চ তাপমাত্রায় ভারী ফার্মিয়ন যৌগগুলির স্থানীয় চৌম্বকীয় মুহুর্তের (প্রতি একক কোষে কমপক্ষে একটি এফ ইলেক্ট্রন) বড় ঘনত্বের কারণে উচ্চ বিচ্ছুরণ হার থাকে, যা (অসঙ্গতিপূর্ণ) কন্ডো বিচ্ছুরণ ঘটায়। উচ্চ বিচ্ছুরণ হারের কারণে, ডিসি এবং কম ফ্রিকোয়েন্সিতে পরিবাহিতা বরং কম। একটি পরিবাহিতা রোল-অফ (ড্রুড রোল-অফ) ফ্রিকোয়েন্সিতে ঘটে যা শিথিলতার হারের সাথে মিলে যায়। নীচে, স্থানীয় f ইলেকট্রনগুলি পরিবহন ইলেকট্রনের সাথে সংকরিত হয়। এটি বর্ধিত কার্যকরী ভরের দিকে পরিচালিত করে এবং একটি সংকরকরণ ব্যবধান বিকশিত হয়। কন্ডো ইনসুলেটরগুলির বিপরীতে, ভারী ফার্মিয়ন যৌগের রাসায়নিক সম্ভাব্যতা পরিবহন ব্যান্ডের মধ্যে থাকে। এই পরিবর্তনগুলি ভারী ফার্মিয়নের আলোকীয় প্রতিক্রিয়ায় দুটি গুরুত্বপূর্ণ বৈশিষ্ট্যের দিকে পরিচালিত করে। ভারী-ফার্মিওন পদার্থের ফ্রিকোয়েন্সি-নির্ভর পরিবাহিতা কার্যকর ভর এবং পুনর্নবীকরণ শিথিলকরণ হার ধারণ করে দ্বারা প্রকাশ করা যেতে পারে। বড় কার্যকরী ভরের কারণে, পুনর্নবীকরণ শিথিলকরণের সময়ও বাড়ানো হয়, যার ফলে সাধারণ ধাতুগুলির তুলনায় খুব কম ফ্রিকোয়েন্সিতে একটি সংকীর্ণ ড্রুড রোল-অফ হয়। এখন পর্যন্ত কম গিগাহার্টজ পরিসরে ভারী ফার্মিয়নে এই ধরনের ড্রুড শিথিলকরণের হার সবচেয়ে কম দেখা গেছে ইউপিডি2এএল3-তে। অপটিক্যাল পরিবাহিতা মধ্যে ফাঁক মত বৈশিষ্ট্য সরাসরি সংকরকরণ ফাঁক প্রতিনিধিত্ব করে, যা স্থানীয় f ইলেকট্রন এবং পরিবহন ইলেকট্রন মিথস্ক্রিয়া কারণে খোলে। যেহেতু পরিবাহিতা সম্পূর্ণরূপে বিলুপ্ত হয় না, তাই পর্যবেক্ষিত ব্যবধানটি আসলে একটি ছদ্মবেশ। এমনকি উচ্চতর ফ্রিকোয়েন্সিগুলিতে আমরা স্বাভাবিক আন্তঃব্যান্ড উত্তেজনার কারণে অপটিক্যাল পরিবাহিতা একটি স্থানীয় সর্বাধিক পর্যবেক্ষণ করতে পারি। তাপ ক্ষমতা সাধারণ ধাতুগুলির জন্য নির্দিষ্ট তাপ নিম্ন তাপমাত্রায় এবং সাধারণ ধাতুগুলির জন্য, নির্দিষ্ট তাপ ইলেকট্রনগুলির নির্দিষ্ট তাপ নিয়ে গঠিত যা তাপমাত্রা এবং স্ফটিক জাল কম্পন (ফোনন)-এর নির্দিষ্ট তাপের উপর রৈখিকভাবে নির্ভর করে যা আনুপাতিক ধ্রুবক এবং তাপমাত্রার উপর ঘনভাবে নির্ভর করে। উপরে উল্লিখিত তাপমাত্রার পরিসরে, বৈদ্যুতিন অবদান নির্দিষ্ট তাপের প্রধান অংশ। মুক্ত ইলেক্ট্রন মডেলে-একটি সাধারণ মডেল সিস্টেম যা ইলেক্ট্রনের মিথস্ক্রিয়াকে অবহেলা করে-বা ধাতু যা এটি দ্বারা বর্ণনা করা যেতে পারে, ইলেকট্রনিক নির্দিষ্ট তাপ বোল্টজম্যান ধ্রুবক, ইলেক্ট্রন ঘনত্ব এবং ফার্মি শক্তি (অধিকৃত বৈদ্যুতিন অবস্থার সর্বোচ্চ একক কণা শক্তি) দ্বারা দেওয়া হয়। আনুপাতিকতা ধ্রুবককে বলা হয় সমারফেল্ড সহগ। তাপ ক্ষমতা এবং "তাপীয় কার্যকরী ভর"-এর মধ্যে সম্পর্ক একটি দ্বিঘাত বিচ্ছুরণ সম্পর্কযুক্ত ইলেকট্রনগুলির জন্য (মুক্ত-ইলেকট্রন গ্যাস হিসাবে), ফার্মি শক্তি εF কণার ভর m-এর বিপরীত আনুপাতিকঃ যেখানে ফার্মি তরঙ্গ সংখ্যাকে বোঝায় যা ইলেক্ট্রন ঘনত্বের উপর নির্ভর করে এবং সর্বোচ্চ অধিকৃত ইলেক্ট্রন অবস্থার তরঙ্গ সংখ্যার পরম মান। সুতরাং, যেহেতু সমারফেল্ড প্যারামিটারটি বিপরীত আনুপাতিক, কণার ভরের সাথে আনুপাতিক এবং এর উচ্চ মানের জন্য, ধাতুটি একটি ফার্মি গ্যাস হিসাবে আচরণ করে যেখানে পরিবহন ইলেকট্রনগুলির একটি উচ্চ তাপীয় কার্যকর ভর থাকে। উদাহরণস্বরূপঃ কম তাপমাত্রায় UBe13 ভারী ফার্মিয়ন যৌগের নির্দিষ্ট তাপমাত্রার জন্য পরীক্ষামূলক ফলাফল UBe13 প্রায় 0.75 কেলভিন তাপমাত্রায় একটি শিখর দেখায় যা তাপমাত্রা 0 কেলভিন অবধি পৌঁছলে উচ্চ ঢালের সাথে শূন্যে নেমে যায়। এই শিখরের কারণে, ফ্যাক্টরটি এই তাপমাত্রার পরিসরে মুক্ত ইলেক্ট্রন মডেলের তুলনায় অনেক বেশি। এর বিপরীতে, 6 কেলভিন-এর উপরে, এই ভারী ফার্মিয়ন যৌগের নির্দিষ্ট তাপ মুক্ত-ইলেকট্রন তত্ত্ব থেকে প্রত্যাশিত মানের কাছাকাছি পৌঁছায়। কোয়ান্টাম সমালোচনা স্থানীয় মুহূর্ত এবং বিচ্ছিন্ন পরিবাহী ইলেকট্রনের উপস্থিতি কন্ডো মিথস্ক্রিয়া (যা একটি অ-চৌম্বকীয় স্থল অবস্থার পক্ষে) এবং আরকেকেওয়াই মিথস্ক্রিয়া (যা চৌম্বকীয়ভাবে ক্রমযুক্ত অবস্থা তৈরি করে, সাধারণত ভারী ফার্মিয়নের জন্য অ্যান্টিফেরোম্যাগনেটিক) প্রতিযোগিতার দিকে পরিচালিত করে। একটি ভারী-ফার্মিওন অ্যান্টিফেরোম্যাগনেটের নীল তাপমাত্রা শূন্যের নিচে দমন করে (যেমন। চাপ বা চৌম্বক ক্ষেত্র প্রয়োগ করে বা উপাদানের গঠন পরিবর্তন করে), একটি কোয়ান্টাম পর্যায় রূপান্তর প্ররোচিত করা যেতে পারে। বেশ কয়েকটি ভারী-ফার্মিওন পদার্থের জন্য এটি দেখানো হয়েছিল যে এই ধরনের কোয়ান্টাম পর্যায়ের রূপান্তর সীমাবদ্ধ তাপমাত্রায় খুব স্পষ্ট অ-ফার্মি তরল বৈশিষ্ট্য তৈরি করতে পারে। এই ধরনের কোয়ান্টাম-সমালোচনামূলক আচরণ অপ্রচলিত অতিপরিবাহীতার প্রেক্ষাপটেও বিস্তারিতভাবে অধ্যয়ন করা হয়। ভালভাবে অধ্যয়ন করা কোয়ান্টাম-সমালোচনামূলক বৈশিষ্ট্য সহ ভারী-ফার্মিওন পদার্থের উদাহরণ হল CeCu6 − xAu, CeIn3, CePd2Si2, YbRh2Si2, এবং CecoIn5। কিছু ভারী ফার্মিওন যৌগ CecoIn5 URu2Si2 UPd2Al3 YbBiPt আরও পড়ুন কিটেল, চার্লস (1996) ইন্ট্রোডাকশন টু সলিড স্টেট ফিজিক্স, 7ম সংস্করণ, জন উইলি অ্যান্ড সন্স, ইনক। মার্ডার, এমপি। (2000), ঘনীভূত পদার্থবিজ্ঞান, জন উইলি অ্যান্ড সন্স, নিউ ইয়র্ক। হিউসন, এ. সি. (1993), দ্য কন্ডো প্রবলেম টু হেভি ফার্মিয়ন্স, কেমব্রিজ ইউনিভার্সিটি প্রেস। ফুলডে, পি. (1995), ইলেকট্রন কোরিলেশনস ইন মলিক্যুলস অ্যান্ড সলিডস, স্প্রিঙ্গার, বার্লিন। পরস্পর সম্পর্কিত ইলেকট্রন ফার্মিওন ঘনীভূত পদার্থবিজ্ঞান