Nemaattinen tila on olomuoto välissä kiinteän, kiteisen ja nestemäiset faasit . Molekyylit , pitkänomaisia, jaetaan ilman järjestyksessä asema (kuten nestemäiseen), mutta jäljellä keskimäärin rinnakkain toisiinsa, toisin sanoen, joiden järjestysnumero on orientaation pitkän kantaman (kuten kide). Kvanttitapauksessa nemaattista vaihetta kuvaa elektroninen neste, joka rikkoo spontaanisti Hamiltonin symmetrian kahden akselin vaihdon aikana. Tämä vaihe on silloin hyvin erilainen kuin klassinen vastine. Erittäin tärkeä kohta nemataattivaiheessa on sen tiheä rinnakkaiselo muiden kvanttivaiheiden, kuten magneettisen tai suprajohtavan järjestyksen kanssa.
Molekyylit säveltää nemaattisen on sylinterimäinen muoto, useimmat tyypilliset ominaisuudet on nemaattiset hyötyvät tästä. Täten nemaattinen neste eroaa isotrooppisesta nesteestä molekyylien spontaanin kohdistumisen perusteella. Nemataattinen vaihe syntyy tästä molekyylien suuntauksesta suurella etäisyydellä, se on kollektiivinen käyttäytyminen. Molekyylien keskimääräistä suuntaa kutsutaan ohjaajaksi ja se määritetään lähellä.
Aine on kaksitahoinen, optisesti yksiaksiaalinen . Näytteen tarkkailu mikroskoopilla osoittaa kierteet sisällä. Viitaten nämä viat, havaittiin kiteisen nesteissä O. Lehman , G. Friedel nimetty tässä vaiheessa ”nemaattinen” (kreikan νεμα ”kierre”).
Jos nemaattivaiheen viskositeetti on samaa suuruusluokkaa kuin isotrooppisen nestefaasin , on olemassa voimakas anisotropia , aine virtaa helpommin, kun virtaus on ohjaimen suuntaan kuin kohtisuorassa tasossa . Jälkimmäisessä tapauksessa virtaus voi yleensä muuttaa ohjaajan suuntaa. Tutkimusta nemataatin virtauksesta stressin alla kutsutaan nematodynamiikaksi.
Klassinen vaihe kaavio on muutettu, nemaattinen faasi, on sijoitettu nestefaasin ja kiinteän faasin (tai / ja smektiseen tilaan tarvittaessa), tiettyjä aineita, joilla on neste-nemaattinen-kiinteä kolmen pisteen ja muut alttiita hyväksyä nemaattinen faasi ja nolla paine .
Suuntautumisjärjestys mitataan yleensä (Mayerin ja Saupen teorian kanssa) järjestysparametrista, missä on molekyylin kulma ohjaimen kanssa ja sijoittaminen hakasulkeihin osoittaa keskiarvon laskemisen suurelle määrälle molekyylejä. Kuten molekyylien orientaation jakautumistoiminnolla, tällä toiminnolla on sylinterimäinen symmetria johtajan mukaan. Eräässä isotrooppinen neste , ilman suuntaa suositaan, saadaan juuri s = 0, kun nemaattinen-isotrooppinen siirtyminen. Molekyylien täydellisen rinnakkaisuuden tapauksessa meillä olisi s = 1, mutta todellisuudessa s ei saavuta arvoa 1 ja kääntyy nematiikkivaiheen ympäri 0,6 - 0,8.
Vapaa energia (F) ei ole riippuvainen keskimääräisen orientaation suunta (se on esimerkiksi ankkurointi pinnoille, joka antaa etuoikeutettu suunta). Jos ohjaajan suunta vaihtelee nematiikan alueella, tämä aiheuttaa vääristymiä ja vapaan energian lisääntymistä.
Oseen-Frank-lauseke mahdollistaa vapaan energian kääntämisen nematiikan molekyylien spatiaalisten vääristymien funktiona. Lauseke sisältää neljä termiä, jotka riippuvat ohjaajan suunnasta, mutta neljäs termi (suhteessa vakioon K2), nimeltään "pinta", jätetään useimmissa tapauksissa huomiotta. Vapaa energia ilmaistaan tilavuusyksikköä kohti:
.Ensimmäinen termi splay kääntää ohjaajan tuulettimen muotoiset muodonmuutokset, toinen kierre termi kääntää ohjaajan vääntömuutokset , kolmas termi bend , kääntää ohjaajan kaarevuuden muodonmuutokset.
Viat nemaattisen lajitellaan Homotopia teoriassa 1 s , 2 d ja 3 e Homotopia ryhmiä, erottamalla kuvioita pistevikojen, sijoiltaan ja siili. Mikroskoopin alla nematikoissa havaitut säikeet ovat dislokaatioviivoja nesteessä. Esitysten ymmärtämiseksi on mahdollista käyttää isotrooppista elastisuuden likiarvoa , jonka sitten asetamme .
Vapaan energian ilmaisu yksinkertaistuu ja siitä tulee:
.Tarkastellaan z-akselilla olevaa paljastuslinjaa, jossa ohjaaja on rajoitettu tasoon (x, y), se muodostaa kulman (x, y) x-akselin kanssa. Tässä arkistossa ohjaajalla on koordinaatit (cos ( ), sin ( ), 0).
Ilmaisu lasketaan sitten :
.
Tämä vapaa energia on vähäinen, kun .
Ratkaisut = vakio vastaavat yhtenäistä kenttää . Ratkaisut ovat tyyppiä = m + vakio, jossa m-kokonaisluku tai puoliluku-luku (koska ohjaaja on määritelty lähellä), vakio vastaa ohjaimen kiertoa . Tämä yhtälö antaa mahdollisuuden piirtää ohjaajan kokoonpanot, jotka vastaavat havaittuja eroja, keskellä singulaarisuutta .
Energia vääristymän pituuden yksikköä kohti lopulta kirjoitetaan:
missä on katkaisusäde ( molekyyliluokan suuruusluokassa ), joka voidaan arvioida vertaamalla nemaatin energiaa isotrooppisen vaiheen energiaan . Lisäksi koska vapaa energia riippuu neliömetristä, kokoonpanot, joissa m on pieni, ovat edullisempia.
Anisotropia dielektrisessä on nemaattinen on lähde kaikkein Electrico-optisissa sovelluksissa. Molekyylit muodostavat nemaattinen ovat erityisen herkkiä sähkömagneettisille kentille. Niillä on dipolimomentti (kentän indusoima ja / tai pysyvä, johtuen positiivisten ja negatiivisten varausten jakautumisen eroista molekyylissä). Permittiteettikerrointen arvosta riippuen molekyyleillä on taipumus orientoitua sähkökentän suuntaisesti tai kohtisuoraan ja luoda polarisointikenttä . Kohdistettujen molekyylien polarisaatiokenttä tasapainottaa osittain alkukentän (kuten kondensaattorissa dielektrisen läsnä ollessa).
Jos tunnistamme z-akselin johtajan kanssa, kirjoitetaan dielektristen vakioiden matriisi:
missä on dielektrinen vakio molekyylin akselilla (id. z-akseli tai ohjain-akseli).
Polarisaatiovektori kirjoitetaan (ensimmäisen kertaluvun approksimaatio):
tai (sen komponenttien mukaan):
missä kentällä on komponentteja Ex, Ey, Ez. Huomaa, että kenttä ei välttämättä ole linjassa polarisaatiovektorin (anisotropia: ≠ ) eikä alun perin molekyylin kanssa.
Vääntömomentti johtaja kentän on: .
Komponentit pari ovat: , , . Jos ero on negatiivinen, vääntömomentti pyrkii suuntaamaan ohjaimen kohtisuoraan kenttään, jos se on positiivinen, ohjaaja pyrkii kohdistamaan kentän.
Nematista vaihetta kuvaa elektroninen neste, joka rikkoo spontaanisti Hamiltonin symmetrian kahden akselin vaihdon aikana. Esimerkiksi järjestelmässä, jossa symmetria on normaalitilassa neljä, nematiikkatilassa on kahden symmetria. Toisin kuin tavanomaiset nestekiteet, kvanttifaasi tulee järjestelmästä, joka korreloi voimakkaasti elektronien kanssa pistehiukkasina. Tämä vaihe on silloin hyvin erilainen kuin klassinen vastine. Erittäin tärkeä kohta nemataattivaiheessa on sen tiheä rinnakkaiselo muiden kvanttivaiheiden, kuten magneettisen tai suprajohtavan järjestyksen kanssa. Nematisen tilan kuvaamiseksi ja ymmärtämiseksi on käytännöllistä antaa järjestysparametri. Esimerkiksi C 4 -C 2 symmetria tauko xy-tasossa, mahdollinen järjestys parametrit ovat seuraavat:
missä on vastusanturi ja rakennekerroin.
Muissa järjestelmissä tilausparametri voidaan ilmoittaa samalla tavalla. Tärkeä seikka on, että parametri on oleellisesti nolla nemaattivaiheen ulkopuolella ja kasvaa yhä enemmän tämän vaiheen sisällä. On neliönmuotoinen verkko, jossa magneettimomentit ovat satunnaisesti suuntautuneita häiriintyneessä vaiheessa. Tämä vaihe on häiriintynyt, mutta isotrooppinen, elektroniset ominaisuudet ovat samat eri kristallografia-akseleille. Nematiikkivaiheessa momentit kohdistuvat rinnakkain sarakkeesta toiseen, mutta sisältävät siirtymän pienen kulman suuntauksen. Magneettisessa tilassa hetket ovat täysin linjassa.
Todellisessa tapauksessa termodynaamisessa epätasapainossa on osa järjestelmää, jolla on häiriöitä. Tämä häiriö on otettava huomioon lisäyksenä alkuperäiseen Hamiltonin:
missä h on paikallisen häiriön parametri eikä ole millään tavalla yhteydessä nematiseen tilaan. Häiriön lisääminen muuttaa huomattavasti nematista järjestelmää. Esimerkiksi nemaattiselle järjestelmälle XY, jonka ulottuvuus on D <4, tai Ising-järjestelmälle, jonka mitat ovat D≤2, symmetriaa ei voi tapahtua häiriön läsnä ollessa. Muissa järjestelmissä symmetrian rikkoutumisesta huolimatta on joskus vaikea erottaa nämä kaksi vaihetta. Sitten on edullista tehdä paikallisia mittauksia, joissa nemaattifaasi on läsnä domeenin muodossa, jolla on korrelaatiopituus .
Kiinnostus kaksiulotteisiin spinjärjestelmiin alkoi näkyä 1980-luvulla. Vuonna 1985 Korshunov esitteli 2D-järjestelmän XY-mallin . Tämä malli sisältää kahden klassisen pyöräytyksen välisen vuorovaikutuksen ferromagneettisen ja nemaattisen kytkennän välisen kilpailun kanssa. Kaksi energiaminimiä on mahdollisia, nimittäin yhdensuuntaiset ja antiparalleeliset kierrokset. Järjestelmän hamiltonilainen on seuraava:
missä kulmat vaihtelevat 0: n ja π: n välillä ja ne osoittavat pyörien suunnan kohdassa i . Parametri Δ osoittaa ferromagneettisen kytkennän ja (1-Δ) on nemaattisen kytkennän parametri. Spin-aallon tai kokonaisluvun pyörteissä parametri Δ on yhtä suuri kuin 1. Murtoluku-pyörteissä ja toimialueiden rajoissa parametri on hyvin lähellä nemaattista rajaa Δ << 1.
Nematinen Hall-vaikutus on erityinen, koska järjestelmän symmetriasta huolimatta pituussuuntaisessa vastuksessa on anisotropia. Järjestelmä on 2D-elektronikaasu, jolla on suuri liikkuvuus (μ ~ 10 7 cm 2 / Vs), kuten tässä tutkituissa GaAsissa. Tällä järjestelmällä tiedetään jo olevan matalan tason Laudaun murto-Hall-vaikutus. Nematiteetti esiintyy kuitenkin Landau-tasoilla N> 2, tarkemmin sanoilla ν = 9/2, 11/2, 13/2 ja 15/2. Arvolle 9/2 näiden kahden suunnan ero on yli kerroin 100. Tämä anisotropia häviää lämpötilan mukana.
Tämän ilmiön selittämiseksi on esitetty useita teorioita. Kulakov et ai. Ja Moessner & Chalker osoittivat korkean Landau-tason 2D-elektronien Hartree-Fock- analyysillä , että järjestelmän perustila oli raidallinen. Tätä järjestystä pidetään yksisuuntaisen varaustiheyden (CDW) aaltotilana, ja se syntyy Coulomb-voiman muutoksen takia lähietäisyydellä. Tehty analyysi osoittaa, että tämän järjestyksen tulisi näkyä Landau-tason kolmannen tason keskellä ja murto-osassa. Tätä tapahtuu aiemmin tutkitussa järjestelmässä. Lisäksi anisotropian puute alemmilla tasoilla johtuu siitä, että kvanttivaihtelut tuhoavat CDW-tilan. Eri järjestelmäkokeissa tuodaan esiin se, että johtokyky raitoja pitkin on paljon suurempi kuin ylittyminen toiseen nauhaan. Tämä osoittaa, että primitiivinen kuljetus tapahtuu sen mukaan ja että raidat ovat . Siksi vastus on paljon suurempi naarmuihin kohtisuorassa suunnassa. Tätä järjestelmää koskevan laajamittaisen tutkimuksen jälkeen symmetriaa rikkovaa elementtiä ei ole vielä tunnistettu. Toisaalta 2D XY -järjestelmän magnetisaation laskeminen osoittaa voimakasta samankaltaisuutta primitiivisen resistiivisyyden riippuvuudesta nemaattisessa Hall-järjestelmässä. Kokeet osoittavat, että nämä kaksi riippuvuutta näyttävät olevan läheisesti yhteydessä toisiinsa, mikä johtaisi uskomaan, että järjestelmässä on tyypin symmetrinen murtuma . Tämän tosiasian hyväksymiseksi on vielä tehtävä useita kokeita.
Hosono-ryhmä löysi rautapohjaisten suprajohteiden perheen vuonna 2008. Yksi rautapohjaisten suprajohteiden mielenkiintoisista näkökohdista on suprajohtavan tilan ja magneettisen tilan läheisyys, mikä viittaa siihen, että magneettisilla vaihteluilla on olennainen rooli ulkonäössä suprajohtavuudesta. Havaitaan toinen erillinen vaihe, nemaattinen vaihe, joka ilmestyy, kun rautaatomien tasossa on symmetrianmuutos x- ja y-suuntien välillä. Tämä symmetriamurtuma voidaan mitata eri tavoin ja järjestysparametri voi tulla eri ilmiöistä.
Ensinnäkin ortorombisen hilan muodonmuutos voidaan havaita röntgendiffraktiolla . Symmetriamurtuman aikana voimakkuus on suurempi yhdessä magneettipiikeissä (antiferromagneettinen) tai . Ortorombisen järjestyksen parametri voidaan laskea seuraavalla tavalla: missä a ja b ovat verkkoparametrit. Voimme minimoida vapaan elastisen energian saadaksemme järjestysparametrin magnetoinnin funktiona, mikä osoittaa, että ortorombisen vääristymän mittaaminen on samanarvoista kuin nemaattisen järjestyksen parametrin mittaaminen.
Toiseksi pitkän kantaman nemaattista järjestystä voidaan tutkia käyttämällä joustamatonta neutronidiffraktiota . Tämä menetelmä mittaa spin-spin-korrelaation suuntaa. Järjestysparametri voidaan saada vertaamalla rakennekertoimia ja . Neutronidiffraktiokokeet havainnollistavat kahden magneettisen huipun lämpötilariippuvuutta ja osoittavat niiden eron rakennemuutoslämpötilassa. Neutronidiffraktiokokeilu, jolla voidaan havaita tämä muutos, on varmasti suora todiste symmetrian rikkoutumisen magneettisesta alkuperästä.
Yksi tutkituimmista rautapohjaisista suprajohteista on FeSe. Tämä järjestelmä muuttuu suprajohtavaksi 9 K lämpötilassa ja siihen tapahtuu rakenteellinen siirtymä . ARPES- koe ( kulmaerotettu fotoemissioelektronispektroskopia ) suoritettiin korkealaatuisille näytteille. Fermi pinta muuttaa muotoaan rakenteellinen siirtyminen, symmetria neljän muutetaan symmetriaa kaksi. Fermi-pinnan elliptinen muoto aiheuttaa korkean elektronisen anisotropian ja lisää nemataattiherkkyyttä. On ehdotettu, että tämä nemaattinen vaihe liittyy suprajohtavan tilan muodostumiseen.
Supernäyttäjien nemaattivaihetta koskevassa katsauksessaan Fernandes ehdottaa eri tapoja, joilla nemaattivaihe voi esiintyä rautapohjaisissa suprajohteissa. Ensinnäkin verkon vääristymä, jossa parametrit a ja b , x: n ja y: n mukaan, muuttuvat erilaisiksi, liittyy normaalisti fononien ohjaamaan rakenteelliseen siirtymään. Toiseksi kuormitus tai kiertorata, jossa käyttöaste parametrit n x ja n y ovat erilaiset. Tämä järjestys liittyy erilaisten maksujen vaihteluun. Kolmanneksi, spin-järjestys, jossa herkkyys muuttuu toisistaan akselien, q x ja q y varrella, ennen kuin spin-tiheysaalto muodostuu. Tämä järjestys liittyy magneettisten kvadrupolien vaihtelun esiintymiseen.
on yksi puhtaimmista järjestelmistä High-T c- suprajohtimien perheessä . Tämän seurauksena on mahdollista tunnistaa paremmin makroskooppiset ilmiöt. Tässä järjestelmässä, suuri anisotropia on läsnä hyvin edellä transitiolämpötilaa T N . Tämä anisotropia voi hyvinkin liittyä nemataasivaiheen esiintymiseen. Tämän hypoteesin todentamiseksi on tehty useita kokeita. Ensimmäisenä oli tehtävä kuljetusmittauksia. Mittaukset osoittavat räikeän anisotropian kahden kristallografisen akselin välillä. Muutos ortorombisessa verkossa voi vaikuttaa kahden akselin resistanssiin. Tässä mittakaavassa ja kun otetaan huomioon useamman kuin yhden suuruusero, voimme kuitenkin jättää tämän vaikutuksen huomiotta siirtymävaiheessa. Toinen tällä järjestelmällä tehty koe on joustamaton neutronidiffraktio. Tätä tekniikkaa käytetään mittaamaan erilaisia ydin- tai magneettipiikkejä. Tässä tapauksessa spin-korrelaation voimakkuus mitataan suuntaan (h00) ja (0k0). Voidaan nähdä, että nemaattinen järjestys esiintyy vain 7 meV: n siirtoenergioiden alla. Kullekin piikille suoritetaan käyrän sovitus käyttäen keskitettyä Gaussin jakaumaa . Kerroin δ on mittaamaton ja käyttäytyy kuin järjestysparametri. Nämä kaksi koketta osoittavat elektronisen nemaattivaiheen läsnäolon suurimmalla osalla Pseudo-gap-vaihetta .
Toinen High-T c- suprajohde näyttää ilmentävän nematiikkatilaa, mutta tässä se on pinnalla. Se on huomattavasti keskikokoisempi kuin maissi, joka voidaan helposti halkaista erinomaisen pinnan saamiseksi. Nematisen tilan havaitsemiseksi on tehty useita skannaustunnelointimikroskopia (STM) -tutkimuksia. Järjestelmällä näyttää olevan taipumusta raidalliseen järjestykseen. Tämä paikallinen järjestys on ei-homogeeninen elektroninen tila, joka rikkoo rotaatiosymmetria C 4 . Ilmiö on voimakkaampaa aladopioiduissa järjestelmissä ja puuttuu ylidopoiduista kiteistä ilman suprajohtavuutta. Tämän järjestelmän nemaattista tapausta on vaikea analysoida tilauksen lasimaisen näkökulman vuoksi. Alidopioitua järjestelmää varten kehitettiin optimaalinen lähestymistapa, ja analyysin tuloksena saadaan pitkän kantaman nematiikkajärjestys, jonka korrelaatiopituus on yli 100Å.
Raskaita fermion- suprajohteita kutsutaan niin kutsuttuiksi, koska niillä on yksi tai useampi f- orbitaalinen atomi . In CeRhIn 5 , se on cerium joka on 4f 1 elektroneja . Nämä kiertoradat ovat niin lähellä ydintä, että ne lisäävät huomattavasti Coulomb-hylkimistä, mikä johtaa raskaiden kvasipartikkelien muodostumiseen, tästä syystä nimi raskas fermioni. CeRhIn 5 ympäröivässä paineessa ja ilman magneettikenttää tilaa itsensä antiferromagneettisesti lämpötilassa T N = 3,85 K.Suprajohtavuus näkyy, kun järjestelmään kohdistuu kriittinen paine p c = 23 kbar. Antiferromagneettinen vaihe voidaan poistaa, kun järjestelmään kohdistetaan magneettikenttä H C = 50 T. Toinen korreloitu vaihe on äskettäin löydetty H * ~ 28T: n yläpuolelta. Resistanssimittaukset kahdessa ei-ekvivalentissa symmetriaputkessa, B 1g ([100], [010]) ja B 2g ([110], [1-10]), osoittavat hyvin samanlaista anisotropiaa. Tämä korkean kentän tila ei ole vahvasti sidoksissa ristikkoon, mikä tekee tästä järjestelmästä ehdokkaan uuteen nematiikkatilaan XY. Tulevaisuuden haasteena on tunnistaa mikroskooppiset symmetrianmuutokset nematisen tilan luonteen ymmärtämiseksi paremmin. Nematisen tilan ja suprajohtavuuden välillä on myös yhteys, joka on myös ymmärrettävä.
Sr 3 Ru 2 O 7 on korreloitu välituoteoksidi. Samasta perheestä löytyy suprajohde Sr 2 RuO 4 ja kulkevat ferroaimentit, SrRuO 3 ja Sr 4 Ru 3 O 10 . Sr 3 Ru 2 O 7: llä on nemaattivaihe, jonka symmetria rikkoutuu välillä 7,8 T - 8,1 T. Laajassa merkityksessä korrelaatioelektronien nemaattiselle järjestelmälle on tunnusomaista kiteen pyörimissymmetrian väheneminen. Näyttää kuitenkin siltä, että näin ei ole tässä tapauksessa. Järjestelmästä tehtiin neutronidiffraktiomittaukset, eikä neliösilmäparametreissa havaittu merkittäviä muutoksia. Tämä järjestelmä on hyvin samanlainen kuin nemaattinen Hall-järjestelmä, mikä viittaa siihen, että GaAs: n tapaus olisi yleisempi kuin luulisi.