تأثير كوندو

في الفيزياء ، يصف تأثير كوندو تشتت إلكترونات التوصيل في المعدن نتيجةً للشوائب المغناطيسية ، مما يؤدي إلى تغير مميز، أي انخفاض في المقاومة الكهربائية مع ارتفاع درجة الحرارة. ^{[ 1 ]} وقد شرح جون كوندو سبب هذا التأثير لأول مرة ، حيث طبق نظرية الاضطراب من الرتبة الثالثة على المسألة لتفسير تشتت إلكترونات التوصيل في المدار s عن إلكترونات المدار d المتمركزة عند الشوائب ( نموذج كوندو ). وتوقعت حسابات كوندو أن معدل التشتت والجزء الناتج من المقاومة سيزدادان لوغاريتميًا مع اقتراب درجة الحرارة من الصفر المطلق (0 كلفن). ^{[ 2 ]} وعند تطبيقه على شبكة من الشوائب المغناطيسية ، يُرجح أن يفسر تأثير كوندو تكوين الفرميونات الثقيلة وعوازل كوندو في المركبات بين الفلزية، وخاصة تلك التي تحتوي على عناصر أرضية نادرة مثل السيريوم والبراسيوديميوم والإيتربيوم ، وعناصر الأكتينيدات مثل اليورانيوم . وقد لوحظ تأثير كوندو أيضاً في أنظمة النقاط الكمومية .

اعتماد المقاومة${\displaystyle \rho }$درجة الحرارة${\displaystyle T}$، بما في ذلك تأثير كوندو، مكتوبة على النحو التالي

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

أين${\displaystyle \rho _{0}}$المقاومة المتبقية، المصطلح${\displaystyle aT^{2}}$يوضح ذلك مساهمة خصائص سائل فيرمي ، والمصطلح${\displaystyle bT^{5}}$ناتج عن اهتزازات الشبكة البلورية:${\displaystyle a}$،${\displaystyle b}$،${\displaystyle c_{m}}$و${\displaystyle \mu }$هي ثوابت مستقلة عن درجة الحرارة. وقد اشتق جون كوندو الحد الثالث مع اعتماد لوغاريتمي على درجة الحرارة والاعتماد على التركيز الذي لوحظ تجريبياً.

في عام 1930، لاحظ والتر مايسنر وب. فويغت ^{[ 3 ] [ 4 ]} أن مقاومة الذهب النقي اسميًا تصل إلى أدنى قيمة لها عند 10 كلفن، وكذلك النحاس النقي اسميًا عند 2 كلفن. وقد تم اكتشاف نتائج مماثلة في معادن أخرى. ^{[ 5 ]} وصف كوندو ثلاثة جوانب محيرة أحبطت الباحثين السابقين الذين حاولوا تفسير هذه الظاهرة: ^{[ 6 ] [ 7 ]}

• من المتوقع أن تنخفض مقاومة المعدن النقي تمامًا بشكل رتيب، لأنه مع انخفاض درجة الحرارة، تنخفض احتمالية تشتت الإلكترون-الفونون.
• من المفترض أن تستقر المقاومة الكهربائية بسرعة عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون درجة حرارة ديباي للفونونات، والتي تتوافق مع أعلى نمط اهتزاز مسموح به للمعدن. مع ذلك، في سبيكة الذهب والحديد، تستمر المقاومة الكهربائية في الارتفاع بشكل حاد عند درجات حرارة أقل من 0.01 كلفن، على الرغم من عدم وجود فجوة طاقة في هذه السبيكة الصغيرة.
• هذه الظاهرة عالمية، لذا ينبغي أن ينطبق أي تفسير عليها بشكل عام.

أظهرت تجارب أجرتها ميريام ساراتشيك في مختبرات بيل في ستينيات القرن الماضي أن هذه الظاهرة ناجمة عن شوائب مغناطيسية في المعادن النقية اسميًا. ^{[ 8 ]} وعندما أرسل كوندو نسخة أولية من بحثه إلى ساراتشيك، أكدت ساراتشيك أن البيانات تتوافق مع النظرية. ^{[ 9 ]}

استُنتج حل كوندو باستخدام نظرية الاضطراب، مما أدى إلى تباعد النتائج مع اقتراب درجة الحرارة من الصفر المطلق (0 كلفن). وقد حسّنت طرق لاحقة، باستخدام تقنيات غير اضطرابية، هذه النتيجة. أنتجت هذه التحسينات مقاومة نوعية محدودة، لكنها احتفظت بخاصية وجود حد أدنى للمقاومة عند درجة حرارة غير صفرية. تُعرَّف درجة حرارة كوندو بأنها مقياس الطاقة الذي يحد من صحة نتائج الاضطراب. كان نموذج شوائب أندرسون ونظرية إعادة التطبيع ويلسون المصاحبة له إسهامًا هامًا في فهم الفيزياء الكامنة وراء هذه المسألة. ^{[ 10 ]} استنادًا إلى تحويل شريفر-وولف ، تبيّن أن نموذج كوندو يقع في نظام الاقتران القوي لنموذج شوائب أندرسون. يُزيل تحويل شريفر-وولف ^{[ 11 ]} إثارات الشحنة عالية الطاقة من نموذج شوائب أندرسون، مما يجعل نموذج كوندو هاميلتونيًا فعالًا.

يمكن اعتبار تأثير كوندو مثالاً على الحرية التقاربية ، أي حالة يصبح فيها الاقتران قوياً بشكل غير اضطرابي عند درجات حرارة وطاقات منخفضة. في مسألة كوندو، يشير الاقتران إلى التفاعل بين الشوائب المغناطيسية الموضعية والإلكترونات المتحركة.

عند تطبيق تأثير كوندو على شبكة من الأيونات المغناطيسية، فإنه يُرجّح أنه يُفسّر تكوّن الفرميونات الثقيلة وعوازل كوندو في المركبات بين الفلزية، لا سيما تلك التي تحتوي على عناصر أرضية نادرة مثل السيريوم والبراسيوديميوم والإيتربيوم ، وعناصر الأكتينيدات مثل اليورانيوم . في مواد الفرميونات الثقيلة ، يؤدي النمو غير الاضطرابي للتفاعل إلى ظهور شبه إلكترونات بكتل تصل إلى آلاف أضعاف كتلة الإلكترون الحر، أي أن الإلكترونات تتباطأ بشكل كبير بفعل التفاعلات. وفي كثير من الحالات، تُصبح هذه المواد موصلات فائقة . ويُعتقد أن ظهور تأثير كوندو ضروري لفهم الطور المعدني دلتا غير المعتاد للبلوتونيوم .

لوحظ تأثير كوندو في أنظمة النقاط الكمومية . ^{[ 12 ] [ 13 ]} في هذه الأنظمة، تتصرف النقطة الكمومية التي تحتوي على إلكترون واحد على الأقل غير مزدوج كشوائب مغناطيسية، وعندما تقترن النقطة بنطاق التوصيل المعدني، يمكن لإلكترونات التوصيل أن تتشتت بعيدًا عن النقطة. وهذا يُشابه تمامًا الحالة التقليدية للشوائب المغناطيسية في المعدن.

تم تصوير تهجين بنية النطاق وطوبولوجيا النطاق المسطح في عوازل كوندو في تجارب مطيافية الانبعاث الضوئي ذات الزاوية المحددة . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

في عام 2012، اقترح بيري وكوبر إمكانية إيجاد تأثير كوندو الطوبولوجي باستخدام فرميونات ماجورانا ، ^{[ 17 ]} في حين تم إثبات أن المحاكاة الكمومية باستخدام الذرات فائقة البرودة قد تُظهر هذا التأثير أيضًا. ^{[ 18 ]}

في عام ٢٠١٧، أجرى فريقان من جامعة فيينا للتكنولوجيا وجامعة رايس تجارب لتطوير مواد جديدة مصنوعة من معادن السيريوم والبزموت والبلاديوم بتراكيب محددة، بالإضافة إلى دراسة نظرية لنماذج هذه البنى. نُشرت نتائج التجارب في ديسمبر ٢٠١٧ ^{[ ١٩ ]} ، وأدت، إلى جانب الدراسة النظرية ^{[ ٢٠ ]} ، إلى اكتشاف حالة جديدة ^{[ ٢١ ]} ، وهي شبه فلز ويل المُحفَّز بالترابط . أطلق الفريق على هذه المادة الكمومية الجديدة اسم شبه فلز ويل-كوندو .

• تأثير كوندو - بعد 40 عامًا من الاكتشاف - عدد خاص من مجلة الجمعية الفيزيائية اليابانية
• كوندو، جون (2012). فيزياء السبائك المغناطيسية المخففة . كامبريدج؛ نيويورك: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-1-107-02418-2.دراسة من تأليف كوندو نفسه.
• هيوسون، ألكسندر سي. (2003). مسألة كوندو للفيرميونات الثقيلة . دراسات كامبريدج في المغناطيسية (الطبعة الأولى ذات الغلاف الورقي (مع تصحيحات)، نُقلت إلى الطباعة الرقمية في  طبعة 2003). كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-59947-4.
• كوكس، د. ل.؛ زاوادوفسكي، أ. (1999). تأثيرات كوندو الغريبة في المعادن: الأيونات المغناطيسية في مجال كهربائي بلوري ومراكز النفق . لندن: تايلور وفرانسيس. ISBN 978-0-7484-0889-4.دراسة متخصصة حول الإصدارات الأحدث من تأثير كوندو في سياقات غير مغناطيسية على وجه الخصوص