Festkörperphysik II - Technische Universität Wien

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Kapitel 2 Materialien der aktuellen Forschung Ein Großteil der aktuellen Festkörperforschung beschäftigt sich mit Materialien, die mit den bisher beschriebenen Modellen (Skripten Materialwissenschaften und <strong>Festkörperphysik</strong> I) nicht oder nur sehr unzureichen beschrieben werden können. Einige dieser Materialien sollen hier beispielhaft vorgestellt werden. 2.1 Schwere-Fermionen-Verbindungen 1975 wurde mit CeAl3 die erste Schwere-Fermionen-Verbindung entdeckt. Diese für das Forschungsgebiet der elektronisch hochkorrelierten Systeme wesentliche Entdeckung wurde bei der im Juli 2005 an der TU <strong>Wien</strong> abgehaltenen Konferenz ” The International Conference on Strongly Correlated Electron Systems“ im Rahmen der Plenarsitzung ” 30 Years of Heavy Fermion Physics“ gefeiert. Das paramagnetische Metall CeAl3 kristallisiert in der hexagonalen Ni3Sn-Struktur. Bei hohen Temperaturen zeigt die magnetische Suszeptibilität Curie-Weiss-Verhalten [χ = C/(T − Θp)], mit einem für Ce 3+ charakteristischen effektiven magnetischen Moment. Die wichtigsten experimentellen Ergebnisse der Originalveröffentlichung von 1975 sind in Abb.2.1, 2.2 und 2.3 dargestellt. Die spezifische Wärme C (Abb.2.1) steigt bei Temperaturen unterhalb von 150 mK linear mit der Temperatur T an: C = γT. Der Proportionalitätsfaktor γ beträgt 1620 mJ/(mol K 2 ). Die magnetische Suszeptibilität (Abb.2.2) ist bei tiefen Temperaturen nur schwach temperaturabhängig und sättigt unterhalb von 100 mK bei einem Wert von 0,036 emu/mol (SI: 4, 52 · 10 −7 m 3 /mol). Der spezifische elektrische Widerstand (Abb.2.3) variiert unterhalb von 100 mK quadratisch mit der Temperatur: ρ = ρ0 + AT 2 . Der Proportionalitätsfaktor A beträgt 35 µΩcm/K 2 . Die spezifische Wärme von einfachen Metallen ist bei Temperaturen weit unterhalb der Debyetemperatur durch C = γT + βT 3 gegeben. Der erste Term ist der elektronische, der zweite der phononische Beitrag. γ wird auch als der Sommerfeld-Koeffizient der spezifischen Wärme bezeichnet. Einfache Metalle haben γ-Werte von der Größenordnung 1 mJ/(mol K 2 ), was im Einklang mit der Sommerfeld-Theorie freier Elektronen ist: γ = (π 2 Nk 2 B )/(2EF) (N ist die Anzahl der Leitungselektronen pro Mol, kB die Boltzmannkonstante und EF die Fermienergie). Beispiel Au: N = NA, EF = 5, 53 eV =⇒ γtheor = 0.63 mJ/(mol K 2 ); 3
4 KAPITEL 2. MATERIALIEN DER AKTUELLEN FORSCHUNG Abbildung 2.1: Spezifische Wärme von CeAl3 als Funktion der Temperatur im Nullfeld (•, △) und bei 10 kOe () [Andres et al., Phys. Rev. Lett. 35 (1975) 1779]. T [K] Abbildung 2.2: Magnetische Suszeptibilität von CeAl3 als Funktion der Temperatur in verschiedenen Magnetfeldern [Andres et al., Phys. Rev. Lett. 35 (1975) 1779]. γexp = 0.67 mJ/(mol K 2 ) (Ashcroft/Mermin). Die Pauli-Suszeptibilität der Leitungselektronen ist in einfachen Metallen bei Temperaturen weit unterhalb der Fermitemperatur konstant und von der Größenordnung 10 −10 m 3 /mol, wiederum in Übereinstimmung mit der Sommerfeld-Theorie freier Elektronen: χPauli =
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