近藤効果

物理学において、近藤効果は、磁性不純物による金属中の伝導電子の散乱を表し、温度とともに電気抵抗率が最小になるという特性変化をもたらします。 ^[1] この効果の原因は近藤純によって初めて説明されました。近藤は、不純物に局在するd軌道電子によるs軌道伝導電子の散乱を説明するために、三次摂動論をこの問題に適用しました（近藤モデル）。近藤の計算では、散乱率とそれに伴う抵抗率は、温度が0 Kに近づくにつれて対数的に増加すると予測されました。^[2]磁性不純物の格子に拡張された近藤効果は、特にセリウム、プラセオジム、イッテルビウムなどの希土類元素やウランなどのアクチノイド元素を含む金属間化合物における重いフェルミオンと近藤絶縁体の形成を説明できる可能性があります。近藤効果は量子ドットシステムでも観測されています。

近藤効果を含む 抵抗率の温度依存性は次のように表される。${\displaystyle \rho}$${\displaystyle T}$

${\displaystyle \rho (T)=\rho _{0}+aT^{2}+c_{m}\ln {\frac {\mu }{T}}+bT^{5},}$

ここで、は残留抵抗率、 項はフェルミ液体特性からの寄与を示し、 項は格子振動からの寄与を示します。、、は温度に依存しない定数です。 Jun Kondo は、対数的な温度依存性と実験的に観測された濃度依存性を持つ 3 番目の項を導出しました。 ${\displaystyle \rho_{0}}$${\displaystyle aT^{2}}$${\displaystyle bT^{5}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$${\displaystyle c_{m}}$${\displaystyle \mu}$

1930年、ワルター・マイスナーとB・フォイクト^{[3] [4]}は、名目上純粋な金の抵抗率が10Kで最小値に達し、同様に名目上純粋な銅でも2Kで最小値に達することを観察した。同様の結果が他の金属でも発見された。^[5]近藤は、この効果を説明しようとした以前の研究者を悩ませた3つの不可解な側面について説明した。^{[6] [7]}

• 真に純粋な金属の抵抗率は、温度が低くなると電子-フォノン散乱の確率が減少するため、単調に減少すると予想されます。
• 温度がフォノンのデバイ温度を下回ると、抵抗率は急速に平坦化するはずです。これは金属の最高許容振動モードに対応します。しかし、AuFe 合金では、抵抗率は 0.01 K 未満でも急激に上昇し続けますが、AuFe 合金にはそれほど小さいエネルギーギャップはないようです。
• この現象は普遍的なので、どのような説明も一般に当てはまるはずです。

1960年代にベル研究所のミリアム・サラチックが行った実験では、この現象は名目上純粋な金属中の磁性不純物によって引き起こされることが示されました。^[8]近藤がサラチックに論文のプレビューを送ったところ、サラチックはデータが理論に適合していることを確認しました。^[9]

近藤の解は摂動論を用いて導かれたため、温度が 0 K に近づくにつれて発散するが、後の方法では非摂動的な手法を用いて彼の結果を改良した。これらの改良によって有限の抵抗率を生じたが、非ゼロ温度で抵抗が最小になるという特徴は保持された。近藤温度は、近藤の結果の妥当性を制限するエネルギースケールとして定義される。アンダーソン不純物モデルとそれに伴うウィルソン 繰り込み理論は、問題の基礎となる物理を理解する上で重要な貢献をした。^[10]シュリーファー・ウォルフ変換に基づいて、近藤モデルはアンダーソン不純物モデルの強結合領域にあることが示された。シュリーファー・ウォルフ変換^[11]は、アンダーソン不純物モデルの高エネルギー電荷励起を投影し、近藤モデルを有効ハミルトニアンとして得る。

近藤効果は漸近的自由、すなわち低温および低エネルギーで結合が非摂動的に強くなる状況の例として考えることができます。近藤問題では、結合は局在した磁性不純物と巡回電子間の相互作用を指します。

近藤効果を磁性イオンの格子に拡張すると、金属間化合物、特にセリウム、プラセオジム、イッテルビウムなどの希土類元素やウランなどのアクチノイド元素を含む化合物における重いフェルミオンと近藤絶縁体の形成を説明できる可能性がある。重いフェルミオン材料では、相互作用の非摂動的な成長により、自由電子の質量の数千倍に達する質量を持つ準電子が生じる。つまり、電子は相互作用によって劇的に減速される。多くの場合、それらは超伝導体である。近藤効果の発現は、プルトニウムの異常な金属デルタ相を理解するために必要であると考えられている。^[要出典]

近藤効果は量子ドット系で観測されている。^{[12] [13]}このような系では、少なくとも1つの不対電子を持つ量子ドットは磁性不純物として振る舞い、ドットが金属伝導帯に結合すると伝導電子はドットから散乱する可能性がある。これは、金属中の磁性不純物のより伝統的なケースと完全に類似している。

近藤絶縁体のバンド構造混成と平坦バンドトポロジーは、角度分解光電子分光実験で画像化されている。^{[14] [15] [16]}

2012年にベリとクーパーは、マヨラナフェルミオンでトポロジカル近藤効果が見られるかもしれないと提案した[ ^17] 。一方、極低温原子を用いた量子シミュレーションでもこの効果が実証されることが示されている^[18]。

2017年、ウィーン工科大学とライス大学の研究チームは、それぞれセリウム、ビスマス、パラジウムの金属を特定の組み合わせで作る新素材の開発実験と、そのような構造のモデルを実験する理論的研究を行った。実験結果は2017年12月に発表され^[19]、理論的研究と合わせて^[20] 、相関駆動型ワイル半金属という新しい状態^[21]の発見につながった。研究チームはこの新しい量子物質をワイル-近藤半金属と名付けた。

• 近藤効果 - 発見から40年 - 日本物理学会誌特集号
• 近藤 淳 (2012).希薄磁性合金の物理学. ケンブリッジ; ニューヨーク: ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-1-107-02418-2。近藤氏本人によるモノグラフ。
• Hewson, Alexander C. (2003)。重いフェルミオンに対する近藤問題。Cambridge studies in magnetism (1. ペーパーバック版 (訂正あり)、2003 年デジタル印刷版に移行)。ケンブリッジ: Cambridge Univ. Press。ISBN 978-0-521-59947-4。
• Cox, DL; Zawadowski, A. (1999)。金属におけるエキゾチックな近藤効果: 結晶電場内の磁性イオンとトンネル中心。ロンドン: Taylor & Francis。ISBN 978-0-7484-0889-4。非磁性環境における近藤効果の新しいバージョンに関するモノグラフ。