Oscilaciones cuánticas

En física de la materia condensada , las oscilaciones cuánticas describen una serie de técnicas experimentales relacionadas que se utilizan para mapear la superficie de Fermi de un metal en presencia de un fuerte campo magnético . ^[1] Estas técnicas se basan en el principio de cuantificación de Landau de fermiones que se mueven en un campo magnético. ^[2] Para un gas de fermiones libres en un fuerte campo magnético, los niveles de energía se cuantifican en bandas, llamadas niveles de Landau , cuya separación es proporcional a la fuerza del campo magnético. En un experimento de oscilación cuántica, el campo magnético externo varía, lo que hace que los niveles de Landau pasen sobre la superficie de Fermi, lo que a su vez da como resultado oscilaciones de la densidad electrónica de estados en el nivel de Fermi ; esto produce oscilaciones en las muchas propiedades materiales que dependen de esto, incluida la resistencia (el efecto Shubnikov-de Haas ), la resistencia Hall , ^[2] y la susceptibilidad magnética (el efecto de Haas-van Alphen ). La observación de oscilaciones cuánticas en un material se considera una firma del comportamiento del líquido de Fermi . ^[3]

Las oscilaciones cuánticas se han utilizado para estudiar materiales superconductores de alta temperatura , como cupratos y pnictidas . ^[1] Los estudios que utilizan estos experimentos han demostrado que el estado fundamental de los cupratos subdopados se comporta de manera similar a un líquido de Fermi y muestra características como las cuasipartículas de Landau . ^[4]

En 2021, esta técnica se ha utilizado para observar un estado predicho llamado "fluido electrón-fonón", ^{[5] [6]} un estado partícula-cuasipartícula similar ya conocido es el fluido excitón-polaritón .

Cuando se aplica un campo magnético a un sistema de fermiones cargados libres , sus estados de energía se cuantifican en los llamados niveles de Landau, dados por ^[7]

${\displaystyle \varepsilon _{l}={\frac {eB}{m^{*}}}\left(\ell +{\frac {1}{2}}\right)}$

para valores enteros , donde es el campo magnético externo y son la carga del fermión y la masa efectiva respectivamente. ${\displaystyle \ell}$${\estilo de visualización B}$${\displaystyle e,m^{*}}$

Cuando el campo magnético externo aumenta en un sistema aislado, los niveles de Landau se expanden y finalmente "caen" de la superficie de Fermi. Esto conduce a oscilaciones en la energía observada del nivel más alto ocupado y, por lo tanto, en muchas propiedades físicas (incluida la conductividad, resistividad y susceptibilidad de Hall). La periodicidad de estas oscilaciones se puede medir y, a su vez, se puede utilizar para determinar el área de la sección transversal de la superficie de Fermi. ^[8] Si el eje del campo magnético varía a una magnitud constante, se observan oscilaciones similares. Las oscilaciones ocurren siempre que las órbitas de Landau tocan la superficie de Fermi. De esta manera, se puede representar la geometría completa de la esfera de Fermi. ^[8]${\estilo de visualización B}$

_{Estudios de compuestos cupratos} subdopados como YBa2Cu3O6 + _x a través de sondas como ARPES han indicado que estas fases muestran características de líquidos no-Fermi , ^{[9] y} en particular _, la ausencia de cuasipartículas de Landau bien definidas _. ^[10] Sin embargo, se han observado oscilaciones cuánticas en estos materiales a bajas temperaturas, si su superconductividad es suprimida por un campo magnético suficientemente alto, [ ^2] lo que es evidencia de la presencia de cuasipartículas bien definidas con estadísticas fermiónicas . Por lo tanto, estos resultados experimentales no concuerdan con los de ARPES y otras sondas. ^[7]

• Efecto de Haas-van Alphen
• Efecto Shubnikov-de Haas
• Niveles de Landau