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 campo magnético fuerte . ^{[ 1 ]} Estas técnicas se basan en el principio de cuantización de Landau de los fermiones que se mueven en un campo magnético. ^{[ 2 ]} Para un gas de fermiones libres en un campo magnético fuerte, los niveles de energía se cuantizan en bandas, llamadas niveles de Landau , cuya separación es proporcional a la intensidad del campo magnético. En un experimento de oscilación cuántica, se varía el campo magnético externo, lo que hace que los niveles de Landau pasen por encima de la superficie de Fermi, lo que a su vez produce oscilaciones de la densidad electrónica de estados en el nivel de Fermi ; esto produce oscilaciones en muchas propiedades del material que dependen de esto, incluyendo 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 señal del comportamiento de un líquido de Fermi . ^{[ 3 ]}

Las oscilaciones cuánticas se han utilizado para estudiar materiales superconductores de alta temperatura, como los cupratos y los pnicturos . ^{[ 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 exhibe 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 cuantizan en los llamados niveles de Landau, dados por ^{[ 7 ].}

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

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

Cuando el campo magnético externo${\displaystyle B}$Cuando se incrementa en un sistema aislado, los niveles de Landau se expanden y, finalmente, se "desvían" de la superficie de Fermi. Esto provoca oscilaciones en la energía observada del nivel más alto ocupado y, por lo tanto, en muchas propiedades físicas (incluidas la conductividad Hall, la resistividad y la susceptibilidad). 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 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 mapear la geometría completa de la esfera de Fermi. ^{[ 8 ]}

_{Estudios de compuestos cupratos subdopados} como YBa₂Cu₃O₆⁺ₓ mediante técnicas como ARPES han indicado que estas fases presentan características de líquidos no fermiónicos [ 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 se suprime mediante un campo magnético suficientemente alto ^{[ 2 ] ,} lo que evidencia la presencia de cuasipartículas bien definidas con estadística fermiónica . Estos resultados experimentales ^, por lo tanto, discrepan de los obtenidos mediante ARPES y otras técnicas ^{[ 7 ] .}

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