авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Ш у н о в б о р и с п е т р о в и ч терагерцовая спектроскопия материаловс электронными корреляциями

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Г О Р Ш У Н О В Б о р и с П е т р о в и ч

ТЕРАГЕРЦОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ МАТЕРИАЛОВ
С ЭЛЕКТРОННЫМИ КОРРЕЛЯЦИЯМИ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

Москва – 2007

Работа выполнена в Институте общей физики им. А.М.Прохорова

Российской Академии Наук.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН
Максимов Евгений Григорьевич,

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН,

доктор физико-математических наук, профессор

Гольцман Григорий Наумович, Московский педагогический государственный университет,

доктор физико-математических наук, профессор Поливанов Юрий Николаевич, Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН.

Ведущая организация Институт физики твердого тела РАН,
г. Черноголовка.

Защита состоится 28 апреля 2008 г. в 15 часов
на заседании Диссертационного совета Д 002.063.02 при Институте общей физики им. А.М.Прохорова РАН по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва,
ул. Вавилова, д.38, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики
им. А.М.Прохорова РАН.

Автореферат разослан « » февраля 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Макаров В.П.

(тел.8-499-5038394).

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы и постановка задачи. В последние годы активно исследуются проводящие материалы, в которых носители тока не могут рассматриваться как независимые, как в обычных металлах или полупроводниках. Эти вещества, классифицируемые как электронно-коррелированные, проявляют ряд специфических свойств, таких как сверхпроводимость, магнитное и зарядовое упорядочения, колоссальное магнетосопротивление, особенности, связанные с образованием тяжёлофермионного состояния и состояния с промежуточной валентностью, волн зарядовой и спиновой плотности в низкоразмерных проводниках, квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе и др. Такие свойства являются следствием межэлектронных корреляционных эффектов.

Изучение электронно-коррелированных систем составляет отдельную область современной физики твёрдого тела. Многоэлектронные эффекты не могут быть описаны в рамках устоявшихся представлений о поведении коллектива невзаимодействующих ферми-квазичастиц. Это стимулирует пересмотр известных и разработку новых концепций и методов анализа, рассматривающих, например, возросшую роль кулоновского электрон-электронного, электрон-фононного и электрон-магнонного взаимодействий, описание которых выходит за рамки теории возмущений. С другой стороны, перспективность исследования коллективных электронных явлений связана с их возможными техническими применениями.

Стремление понять и смоделировать свойства веществ с электронными корреляциями стимулирует совершенствование известных и разработку новых экспериментальных методов исследования. Важное место среди таких методов занимает оптическая спектроскопия, уже сыгравшая одну из ключевых ролей в развитии представлений о фундаментальных свойствах металлов, полупроводников и БКШ-сверхпроводников. Важнейшее достоинство метода состоит в том, что в нём рабочее излучение напрямую зондирует электронную подсистему и позволяет бесконтактным способом определять её важнейшие характеристики: концентрацию носителей, их подвижность, эффективную массу, частоту релаксации, плазменную частоту, тип рассеяния, наличие щелей в спектре плотности состояний и др. Оптическая спектроскопия основана на исследовании температурно-частотного поведения спектров диэлектрического отклика, т.е. проводимости (,Т) и диэлектрической проницаемости (,Т). При этом важная роль отводится модели Друде, описывающей электродинамический отклик коллектива невзаимодействующих носителей заряда: любые межэлектронные взаимодействия должны приводить к отклонениям от известных друдевских зависимостей этого отклика, что и составляет предмет спектроскопического исследования. Типичные энергии, характеризующие электронно-коррелированные состояния в твёрдых телах, относительно малы и составляют, как правило, доли электронвольта или единицы миллиэлектронвольт. Соответственно, спектральные особенности, исследование которых имеет ключевое значение для понимания природы элементарных возбуждений коррелированных систем, располагаются в дальней инфракрасной или в ещё более низкочастотной области спектра – терагерцовой (ТГц). Эта последняя область, соответствующая частотам порядка 1 ТГц=1012 Гц, является очень неудобной, а часто и вовсе недоступной для проведения измерений с помощью стандартных экспериментальных методик, в особенности, если дело касается исследования проводящих или сверхпроводящих материалов. Как результат, надёжные экспериментальные данные по оптическим свойствам проводников с электронными корреляциями на частотах 1 ТГц в литературе практически отсутствуют, что является сдерживающим фактором при решении задач физики коллективных электронных состояний. Этим определяется актуальность настоящего исследования, в рамках которого были выполнены систематические количественные измерения терагерцовых спектров проводимости и диэлектрической проницаемости ряда типичных представителей семейства электронно-коррелированных материалов. При этом использовалась разработанная в Институте Общей Физики им. А.М.Прохорова РАН уникальная техника монохроматической терагерцовой ЛОВ-спектроскопии [1,2] (ЛОВ – лампа обратной волны, генератор ТГц-излучения). Современными ЛОВами перекрывается диапазон частот от 30 ГГц до 1.5 ТГц, который исторически обозначается как миллиметровый-субмиллиметровый. Это – самая низкочастотная и наиболее труднодоступная часть более широкого терагерцового диапазона, под которым сегодня подразумевают интервал от 0.1 ТГц до (10 - 20) ТГц. И хотя в рамках настоящей работы эксперименты проводились в ещё более широкой области, подавляющая часть ключевых результатов была получена именно на основе применения ЛОВ-спектрометров.

В связи с вышесказанным, цель настоящей работы состояла в изучении природы электронных коллективных эффектов в твёрдых телах путём измерения терагерцовых спектров проводимости и диэлектрической проницаемости ряда модельных представителей класса электронно-коррелированных материалов: низкоразмерных проводников, спин-лестничных структур, сверхпроводников, проводников с тяжёлыми фермионами и полупроводников с промежуточной валентностью.

В качестве конкретных задач предполагалось:

1) разработать спектроскопические методики, обеспечивающие возможность проведения прямых (без использования соотношений Крамерса-Кронига) количественных измерений терагерцовых спектров динамической проводимости и диэлектрической проницаемости проводников и сверхпроводников;

2) использовать разработанные методики для исследования:

- динамики состояния с волной зарядовой плотности и коллективного механизма проводимости в низкоразмерных (одномерных и двумерных) проводниках;

- механизмов формирования основного состояния и природы сверхпроводимости в спин-лестничном соединении Sr14-xCaxCu24O41 - единственном сверхпроводящем купрате с недвумерной (одномерной) структурой медь-кислородных комплексов;

- особенностей низкоэнергетического (энергии, меньшие энергии сверхпроводящей щели) электродинамического отклика высокотемпературных сверхпроводников;

- природы основного состояния в проводниках с тяжёлыми фермионами и в полупроводниках с промежуточной валентностью.

Объекты исследования. Практически все объекты исследования представляли собой уникальные монокристаллические образцы высокого качества, приготовленные и охарактеризованные в ведущих научных центрах России, Германии, Дании, США, Франции, Швейцарии и Японии.

Научная новизна работы состоит в приоритетном характере результатов, представленных в разделе «Основные результаты диссертации».

Научная и практическая ценность работы. В диссертации впервые экспериментально зарегистрированы явления, возможность существования которых предсказывалась теоретически - поперечное плазмонное возбуждение в слоистом сверхпроводнике и состояние с волной зарядовой плотности в спин-лестничном купрате Sr14-xCaxCu24O41. В ВТСП-купратах впервые экспериментально обнаружена качественно иная по сравнению с БКШ-сверхпроводниками температурная зависимость поглощения низкочастотного электромагнитного излучения, однозначного объяснения природы которой пока нет.

Впервые на терагерцовых частотах получены количественные данные по электродинамическим свойствам ряда проводящих и сверхпроводящих материалов, которые могут быть использованы при конструировании приборов, например, терагерцовых и инфракрасных детекторов и смесителей на основе ВТСП-соединений.

Разработаны квазиоптические методики, позволяющие проводить прямые количественные измерения терагерцовых электродинамических характеристик проводящих и сверхпроводящих материалов. Эти методики могут быть использованы не только на ЛОВ-спектрометрах, но и на других терагерцовых и инфракрасных спектрометрах, а также с применением других источников терагерцового и инфракрасного излучения – лазеров на свободных электронах, синхротронов и др.

Личный вклад автора. Автором было выбрано общее направление исследований, разрабатывались спектроскопические методики, ставились конкретные задачи. Им организовывалось и осуществлялось научное сотрудничество с ведущими мировыми центрами с целью синтеза уникальных образцов и проведения совместных исследований. Все результаты диссертации получены самим автором или при его непосредственном участии.

Достоверность диссертационных результатов подтверждается их согласием с независимо полученными экспериментальными данными российских и зарубежных лабораторий и с теоретическими представлениями о свойствах электронно-коррелированных систем.

Апробация результатов работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих всесоюзных, всероссийских и международных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международные конференции по инфракрасным и миллиметровым волнам (Марсель 1983 г., Колчестер 1993, Карлсруэ 2004 г., Виллиамсбург 2005, Кардифф 2007), Международная конференция по прыжковому транспорту (Братислава 1987, г.), Рабочее совещание по проблемам высокотемпературной сверхпроводимости (Свердловск-Заречный 1987), Международная конференция «Органические материалы для электроники и приборостроения», Ташкент 1987), Всесоюзные школы-семинары (Саратов 1988, Москва 1989), Всесоюзный семинар "Физика электронных структур на основе высокотемпературной сверхпроводимости" (Москва 1989), Всесоюзная конференция по высокотемпературной сверхпроводимости (Киев 1989), Европейская конференция по высокотемпературным пленкам и монокристаллам (Вштронь, Польша 1989), Двусторонние семинары СССР-ФРГ (Таллин 1989, Карлсруэ 1990), Советско-Польский семинар "Высокопроводящие органические материалы для молекулярной электроники" (Черноголовка 1990), XXII Европейский симпозиум по динамическим свойствам твердых тел (Шеллерхау, Германия 1992), Всемирный конгресс по сверхпроводимости (Мюнхен 1992), Конференции Американского Физического Общества (Сиэтл 1993, Монреаль 2004, Лос Анжелес 2005), Международный симпозиум по новым электронным состояниям в молекулярных проводниках (Токио 1994), Совещание по не-фермижидкостным свойствам одномерных проводников (Лос Анжелес 1995), Конференции по низкоэнергетической электродинамике твердых тел (Триест 1995, Аскона 1997, Пеш 1999, Монтаук 2002, Банц 2004), Совещание по миллиметровой спектроскопии твердых тел (Лос Анжелес 1996), Германо-Французское совещание по пониженной размерности и электронным корреляциям в некупратных окислах переходных металлов и в бронзах (Фрейбург 1999), Совещания Немецкого Физического Общества (Вальбеберг 2001, Гамбург 2001, Регенсбург 2002, Дрезден 2003, Кёльн 2004, Берлин 2005), Международная конференция по сильным корреляциям в твердых телах (Карлсруэ 2004), Международный симпозиум по сверхпроводимости (Нигата 2004), Всероссийские семинары по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона (Нижний Новгород 2005, 2007), Международное совещание по электронным кристаллам (Каргез 2005), Международная конференция «Последние достижения в классе низкоразмерных проводников с волной зарядовой плотности» (Скраден 2006), Международный симпозиум по аномальным квантовым материалам (Окинава 2006).





Основные диссертационные результаты опубликованы в 51 статье в ведущих отечественных и международных журналах, из них 11 – в рецензируемых отечественных и 18 – в рецензируемых зарубежных журналах. Список публикаций приводится в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, представленных на 210 печатных страницах, включая 76 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 415 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении рассматривается современное состояние экспериментальных исследований электронных корреляционных эффектов в твёрдых телах с применением метода оптической спектроскопии. Отмечается, что эти эффекты, как правило, характеризуются характерными энергиями порядка миллиэлектронвольта, и что поэтому наиболее актуальной для исследований является соответствующая область спектра – терагерцовая (энергии кванта от 1 мэВ до 100 мэВ). В то же время, ввиду отсутствия общедоступных измерительных методов и аппаратуры, в литературе практически отсутствуют надёжные экспериментальные данные по оптическим свойствам материалов с электронными корреляциями на ТГц-частотах. Во Введении формулируются актуальность и цели исследования, отмечается новизна и практическая ценность диссертационных результатов.

В Главе I, озаглавленной «Особенности электродинамического отклика материалов с электронными корреляциями», обсуждаются примеры проявления коллективных электронных эффектов в спектрах диэлектрического отклика – проводимости и диэлектрической проницаемости. В параграфе 1.1 описаны основные положения модели проводимости Друде, рассматривающей динамику свободных и независимых электронов в приближении среднего времени релаксации. Типичные признаки друдевского отклика проводника, проявляющиеся в спектрах проводимости и диэлектрической проницаемости, представляют собой своего рода шаблоны, с которыми сравниваются спектры проводящих соединений, будь то экспериментальные или теоретические исследования. Любые воздействия на подсистему свободных и независимых электронов, появляющиеся, в частности, вследствие межэлектронных корреляционных эффектов, ведут к искажениям друдевских зависимостей, что и предоставляет возможность исследования микроскопики таких эффектов. В этом параграфе приводятся основные формулы для оптических характеристик проводников в рамках модели Друде, рассматриваются их типичные частотные зависимости и полезные для анализа низкочастотные асимптотики. Здесь же обсуждаются правила сумм – интегральные соотношения, вытекающие из соотношений Крамерса-Кронига и являющиеся независимыми от модельных представлений. В заключение рассмотрено обобщение модели Друде на случай, когда процессы релаксации носителей не описываются фиксированным и частотно-независимым временем, рассматриваются его обоснование и области применения.

В параграфах 1.2-1.5 описано, как коллективные электронные эффекты модифицируют типичные друдевские спектры диэлектрического отклика в модельных электронно-коррелированных материалах, исследовавшихся в настоящей работе: низкоразмерных проводниках, сверхпроводниках, спин-лестничных соединениях, материалах с тяжёлыми фермионами и с промежуточной валентностью.

В параграфе 1.2 рассматриваются особенности физических свойств низкоразмерных проводников – класса веществ, синтез которых стимулировался идеей о возможности экситонной высокотемпературной (Тс=104 К – 105 К) сверхпроводимости [3]. Синтезировать материалы со столь высокой критической температурой не удалось (максимальная величина Тс составляет около 10 К). Тем не менее, активность исследователей привела к возникновению отдельного раздела физики твёрдого тела, исследующего свойства низкоразмерных проводников [4,5]. Ярким явлением, определяющим электронные свойства низкоразмерных проводников, является неустойчивость к образованию волн зарядовой плотности (ВЗП). Благодаря нестингу отдельных участков поверхности Ферми (возможности вложить один участок в другой), одномерный металл при температуре TВЗП переходит в диэлектрическое состояние. Переход сопровождается возникновением в кристаллической решетке сверхструктуры и пайерлсовской энергетической щели ВЗП в спектре электронных состояний. С динамикой ВЗП связан коллективный механизм проводимости, проявляющийся в виде так называемой моды Фрёлиха, которая даёт вклад в статическую проводимость (скользящая ВЗП) или располагается на конечной частоте в результате пиннинга (фиксации фазы ВЗП на примесях, дефектах).

Параграф 1.3 посвящён рассмотрению особенностей оптического отклика сверхпроводников (СП). Спектры оптической проводимости сверхпроводника несут информацию о наличии, величине и температурной зависимости энергетической щели и о механизмах «подщелевого» поглощения. Использование аппарата правил сумм и спектральных весов может быть использован для модельно-независимого анализа изменения кинетической энергии электронов при переходе в СП-фазу [6]. Спектры диэлектрической проницаемости позволяют определять температурные зависимости лондоновской глубины проникновения и плотности СП-конденсата, что даёт возможность судить о типе симметрии СП-параметра порядка [7].

В параграфе 1.4 рассматривается специфика оптического отклика систем с тяжёлыми фермионами (ТФ) и с промежуточной валентностью. Физические процессы, вызывающие при понижении температуры увеличение эффективной массы носителей заряда в ТФ, делают практически все свойства этих веществ отличными от свойств обычных металлов. В оптических спектрах основные особенности ферми-жидкостного ТФ-состояния проявляются при T<T* (T*-температура когерентности). Это провал в спектре проводимости, отражающий появление гибридизационной щели в плотности состояний, и узкий друдевский пик на нулевой частоте, возникающий как результат динамического отклика тяжёлых ферми-квазичастиц с перенормированными эффективной массой m* и частотой релаксации * [8-10].



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.