html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Физики впервые увидели «предшественника» моттовского перехода в спиновых жидкостях


МФТИ

Группа физиков напрямую пронаблюдала превращение спиновых жидкостей в моттовские изоляторы, измеряя зависимость электрической проводимости жидкостей от частоты электромагнитных волн, падающих на образцы. В том числе, ученым удалось увидеть в спиновой жидкости металлические квантовые флуктуации — «предшественника» моттовского изолятора. Моттовский изолятор — это материал, электроны которого слишком сильно взаимодействуют друг с другом, «застревают» и теряют способность переносить электрический заряд. Статья опубликована в Nature Materials, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В рамках школьной физики ученикам обычно говорят, что по проводам бегут электроны — элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом, примерно равным −1,6×10−19 кулон. Однако в действительности все немного сложнее. Электроны, бегущие по проводу, ведут себя совсем не так, как полностью свободные, они взаимодействуют с атомами кристаллической решетки и друг с другом. Поэтому для удобства физики описывают перенос заряда внутри тела с помощью квазичастиц — удобных абстракций, которые отвечают коллективным возбуждениям на фоне обычных частиц. По своим свойствам квазичастицы напоминают обычные частицы, однако их параметры могут отличаться. Например, квазичастица-электрон имеет такой же заряд, как и «настоящий» электрон, но гораздо меньшую массу (которая, к тому же, может зависеть от направления движения квазичастицы), а заряд квазичастицы-дырки по модулю равен элементарному заряду, но положителен. Подробнее про квазичастицы можно прочитать в статье «Квантовая азбука: „Зоопарк квазичастиц“», которая объясняет это понятие на примере картинок с котами.

Кроме того, для описания движения зарядов очень удобной оказывается концепция запрещенной зоны — области значений, которые не может принимать энергия квазичастицы. Если ширина запрещенной зоны Δ = 0, то электроны свободно движутся по материалу, и его можно считать проводником. Если ширина запрещенной зоны отлична от нуля, но невелика (порядка электронвольта или чуть меньше), квазичастицы могут туннелировать сквозь нее, и материал проводит электрический ток, хотя и хуже, чем металл. Такие материалы называют полупроводниками. Наконец, если запрещенная зона оказывается шире четырех электронвольт, электроны туннелируют через нее слишком редко, и материал становится обычным изолятором (диэлектриком). Разумеется, во всех этих случаях речь идет об электронах-квазичастицах, которые практически не взаимодействуют между собой.

Тем не менее, такой подход работает не всегда. В действительности электроны-частицы взаимодействуют друг с другом — все они заряжены отрицательно, а потому должны отталкиваться (закон Кулона). Для большинства материалов отталкиванием можно пренебречь, поскольку кулоновская энергия U, которая измеряет интенсивность взаимодействия, много меньше средней кинетической энергии электронов, связанной с шириной пропускания W, однако в некоторых материалах наблюдается обратное соотношение. В этих случаях кинетической энергии оказывается недостаточно, чтобы преодолеть отталкивание, и частицы «запираются» внутри кристалла, а материал становится изолятором. Впервые это явление экспериментально обнаружили в 1937 году Ян де Бур (Jan Hendrik de Boer) и Эверт Вервей (Evert Verwey), а первое теоретическое объяснение привели Невилл Мотт (Nevill Mott) и Рудольф Пайерлс (Rudolf Peierls). Интересно, что обе статьи были опубликованы в одном и том же выпуске журнала Proceedings of the Physical Society. Сейчас изоляторы с «запертыми» электронами называют моттовскими.

Теоретические исследования показывают, что при увеличении энергии взаимодействия (отталкивания) U проводник постепенно превращается в моттовский изолятор (так называемый моттовский переход, Mott metal-insulator transition), причем переход является переходом первого рода. Линию, которая разделяет фазы изолятора и проводника на плоскости параметров U/W и T/W (T — температура материала), называют линией Уидома (quantum Widom line). При низкой температуре линия Уидома отделяет моттовский изолятор от ферми-жидкости (не путать со спиновой жидкостью) — энергия отталкивания электронов в ферми-жидкости гораздо ниже, чем в изоляторе, а потому она является проводником, но магнитного порядка в ней тоже нет. Более того, считается, что моттовский переход может быть связан с высокотемпературной сверхпроводимостью, которая наблюдается в некоторых купратах. К сожалению, увидеть подобный переход на практике очень сложно — как правило, на свойства электронов накладываются магнитные свойства металла и сложная зонная структура, которые мешают выделить нужный эффект.

Линия Уидома, построенная в области параметров (U/W, T/W ). Сверху справа — область металлической проводимости, снизу слева — область моттовского изолятора, снизу справа — область ферми-жидкости

A. Pustogow et al. / Nature Materials


Группа ученых под руководством Мартина Дресселя (Martin Dressel) преодолела это препятствие, рассматривая вместо обычных металлов органические материалы, в которых электроны образуют так называемую спиновую жидкость. Грубо говоря, спиновая жидкость — это система, в которой намагниченные частицы взаимодействуют друг с другом магнитным образом и образуют запутанные состояния, но при этом магнитный порядок не возникает. Более подробно про спиновые жидкости рассказывает в своем интервью физик Алексей Китаев, который на протяжении длительного времени исследовал подобные системы теоретически. Отсутствие магнитного порядка в спиновых жидкостях позволяет выделить эффекты, которые связаны с кулоновским взаимодействием зарядов, а не спинов электронов, а потому можно ожидать, что в них будет проще наблюдать фазовый переход между проводником и моттовским изолятором.

Для эксперимента ученые выбрали три материала, в которых электроны находятся в состоянии спиновой жидкости. Это довольно сложные органические соединения, сокращенно обозначаемые как EtMe, AgCN и CuCN (полные химические формулы приводятся в статье). Их электронные свойства хорошо описываются в рамках модели Хаббарда с одной зоной, поскольку их частицы выстраиваются в послойную треугольную структуру. Для каждой из жидкостей физики измерили зависимость оптической проводимости (обобщением «обычной» электрической проводимости на случай переменной частоты) от частоты падающего на образец излучения в диапазоне длин волн от 30–100 до 4000 сантиметров. Затем исследователи извлекали из полученных зависимостей значения W (ширина хаббардовской зоны электронов), U (энергия отталкивания) и Δ (ширина запрещенной зоны). Полученные в эксперименте точки ученые отложили на фазовой диаграмме — плоскости (U/W, T/W). Здесь T — температура материала.

Пример определения электронных параметров W, U и Δ по графику оптической проводимости

A. Pustogow et al. / Nature Materials

Зависимость оптической проводимости спиновых жидкостей от частоты падающего излучения: EtMe (рисунок a), AgCN (рисунок b) и CuCN (рисунок c). Красная линия отвечает температуре 200 кельвинов, синяя — температуре 5 кельвинов. Во врезах — внутренняя структура соответствующих жидкостей

A. Pustogow et al. / Nature Materials


В результате физикам удалось поймать моменты превращения каждой жидкости из проводника в моттовский изолятор, отслеживая изменение их параметров при понижении температуры. Оказалось, что в рамках экспериментальных погрешностей экспериментально построенная линия Уидома совпадает с теоретическими предсказаниями. Кроме того, в одном из соединений (CuCN) поведение электронной жидкости на самых низких частотах оказалось близким к обычному металлическому; это объясняется тем, что даже при низком давлении и температуре ее параметры лежат близко к области превращения в ферми-жидкость. Другими словами, это означает, что жидкость находится в режиме металлических квантовых флуктуаций — состоянии, которое предшествует состоянию моттовского изолятора. Таким образом, физики впервые «в чистом виде» увидели моттовский переход на практике — до этого он оставался предметом исключительно теоретических исследований.

Точки, в которых спиновые жидкости превращаются из проводников в моттовские изоляторы: данные по EtMe отмечены черным, данные по AgCN — красным, данные по CuCN — синим. Пунктирными линиями отмечены области экспериментальных погрешностей. Теоретически рассчитанная линия Уидома разделяет цветную и белую область

A. Pustogow et al. / Nature Materials


В марте этого года физикам из России и Германии удалось осуществить и исследовать «обратный» моттовский переход — под действием вспышек ультракороткого лазера выбранный ими моттовский изолятор ненадолго превратился в проводник. Кроме того, в 2015 году ученые из МФТИ уже наблюдали в эксперименте, как изготовленный ими метаматериал превращается в моттовский изолятор. Тем не менее, новая работа относится уже к реальным материалам и исследует переход более подробно.

Дмитрий Трунин

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • физика
          • ученые
          • исследования
          • эксперименты
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции