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 |

Коллективные явления в неоднородных конденсированных средах с учётом межчастичных корреляций

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ДУБОВИК Владислав Михайлович

Коллективные явления в неоднородных конденсированных средах

с учётом межчастичных корреляций

01.04.02 - теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

Автор:

Москва - 2007

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте

(государственном университете)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор, член-корреспондент РАН Максимов Леонид Александрович

доктор физико-математических наук,

профессор Векленко Борис Александрович

доктор физико-математических наук,

профессор Калашников Николай Павлович

Ведущая организация: Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН

Защита состоится '' 24 '' октября 2007 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.130.06 Московского инженерно-физического института (государственного университета) по адресу:

115409, Москва, Каширское шоссе, 31, тел. 323 – 91 – 67

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан '' '' 2007г.

Учёный секретарь

диссертационного совета В.П.Яковлев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСКТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

В последние десятилетия интенсивно исследуются системы частиц с сильными межчастичными корреляциями. Выяснилось, в частности, что сильные межэлектронные корреляции приводят к целому ряду физических явлений:

к фазовому переходу ''металл-изолятор'', высокотемпературной сверхпроводимости, феномену тяжёлых фермионов, и т.д. Одновременно с развитием теории конденсированного состояния вещества, постоянно совершенствуется техника экспериментальных исследований, расширяется область технологических применений различных молекулярных сред например, жидких кристаллов, анизотропных полимерных плёнок [1] и т.д.

Настоящая диссертация посвящена теоретическому исследованию коллективных явлений в неоднородных конденсированных средах с учётом межчастичных корреляций. Получены спектры бесспиновых низкочастотных коллективных возбуждений в двухкомпонентной электронной подсистеме металлов, полуметаллов и полупроводников при одновременном учёте обменно-корреляционного взаимодействия, процессов переброса и межзонных переходов электронов. Это позволяет экспериментально оценить основные параметры Ландау А0ij, определяющие эффективное взаимодействие электронов. Предложен параметрический способ возбуждения сильным высокочастотным электрическим полем не наблюдавшегося до сегодняшнего времени электронного звука в легированных полупроводниках и в полуметаллах. Кинетическая теория генерации сильного поля в полупроводниковом лазере, развитая в [2] для однородного поля (или поля бегущей волны), обобщена на часто реализующийся на практике случай неоднородного поля типа стоячей волны. Показано, что для полупроводника с электронными переходами «примесь-зона» верхний предел поля генерации зависит от концентрации примеси, что может быть использовано для идентификации электронных переходов в полупроводниковом лазере. Показано, что в аморфных диэлектриках в результате флуктуаций поляризуемости молекул, обусловленных их анизотропией, или наличием нескольких сортов молекул, возникает пространственная дисперсия диэлектрической проницаемости. Полученные результаты могут быть использованы для изучения свойств керамических материалов. Исследована флуктуационная природа температурной зависимости диэлектрической проницаемости одноосных кристаллов, что существенно при разработке приборов интегральной оптики. Рассмотрено влияние корреляционных эффектов на поверхностные колебания в искусственных кристаллах и композитных средах, которые интенсивно исследуются в последнее время в связи с возможностью их применения в оптоэлектронике.



ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в развитии теории коллективных явлений в 2х компонентной электронной подсистеме металлов, полуметаллов и полупроводников, а также в аморфных диэлектриках, кристаллах и композитных средах с учётом межчастичных корреляций.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы определяется тем, что в ней впервые:

1. Методом функций Грина построена теория макроскопической диэлектрической проницаемости двухкомпонентной электронной жидкости металлов, полуметаллов и полупроводников, в которой единым образом учтены: обменно-корреляционное взаимодействие, процессы переброса и межзонные переходы электронов.

2. Найдены спектры объёмных и поверхностных бесспиновых коллективных возбуждений двухкомпонентной электронной жидкости указанных выше веществ с учётом обмена, корреляций, процессов переброса и межзонных переходов.

3. Предложен параметрический способ возбуждения электронного звука

в легированных полупроводниках и в полуметаллах слабонеоднородным

ВЧ электромагнитным полем большой интенсивности.

4. Получено предельное значение поля генерации полупроводникового лазера в сильном неоднородном электрическом поле типа стоячей волны в режиме высокой добротности, большее, чем в случае однородного поля.

5. Развита теория пространственной дисперсии в аморфных диэлектриках, обусловленная флуктуациями локального поля. Выяснено, что в области длин волн >10-8 см возникает флуктуационная пространственная дисперсия, сильно зависящая от температуры.

6. Показано, что наблюдаемая экспериментально температурная зависимость диэлектрической проницаемости одноосного кристалла объясняется тепловыми флуктуациями ориентации осей анизотропных молекул в области применимости кристаллооптики.

7. Выяснено, что в спектре электромагнитных колебаний на границе раздела между композитом «металл-диэлектрик» и обычным диэлектриком есть минимум («псевдощель») вблизи порога перколяции.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в возможности:

а) получения более высоких значений генерируемого полупроводниковым лазером поля; б) использования полученных температурных зависимостей обыкновенного и необыкновенного показателей преломления одноосных полупроводников при разработке новых приборов в интегральной оптике; в) параметрического способа возбуждения акустических плазменных колебаний и нуль-звука в легированных и неравновесных полупроводниках высокочастотным электромагнитным полем большой интенсивности; г) определения наибольшего коэффициента Ландау A0 по спектрам низкочастотных волн поляризации и нуль-звуковых колебаний в двухкомпонентной электронной плазме твёрдых тел; д) определения порогового значения концентрации pc металлической составляющей композита по положению «щели» в спектре поверхностных колебаний на границе раздела композита с обычным диэлектриком.

АПРОБАЦИЯ работы. Основные результаты работы докладывались на:

1) Уральских зимних школах-симпозиумах физиков-теоретиков: ''Коуровка-ХIV'' (Свердловск,1975), ''Коуровка-ХV'' (Пермь,1976), ''Коуровка-ХVI'' (Свердловск,1977);

2) Республиканском совещании по нелинейному взаимодействию света с веществом (ИФИ Арм.ССР, Аштарак-1981); 3) ХIIой Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, МГУ,1985); 3) ХIХом и ХХIVом Всесоюзных совещаниях по физике низких температур (Минск,1976, Тбилиси,1986); 4) Всесоюзной школе-симпозиуме ''Коуровка-21'' (Нижний Тагил,1986); 5) Международной школе им. В.М.Галицкого по актуальным проблемам физики конденсированного состояния (МИФИ, б/о''Волга'',1996); 6) на научных семинарах ФИРАН, ИОФРАН, 7) научных конференциях и сессиях МИФИ -1985,1999,2000,2006,2007г.г.

ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации опубликованы в 24х научных работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ работы. Диссертация состоит из: введения, 6 глав, заключения и 5 приложений. Она содержит 219 с., в том числе 7 рис. Список литературы включает 252 наименования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту:

1. Микроскопическая «ферми-жидкостная» теория продольной диэлектрической проницаемости двухкомпонентной электронной жидкости металлов, полуметаллов и полупроводников с одновременным учётом: обменно-корреляционного взаимодействия, процессов переброса и межзонных переходов электронов.

2. Вывод выражений и анализ НЧ спектров объёмных и поверхностных бесспиновых коллективных возбуждений двухкомпонентной электронной жидкости металлов, полупроводников и полуметаллов с учётом перечисленных выше взаимодействий и процессов.

3. Параметрическое возбуждение электронного звука в легированных полупроводниках и в полуметаллах сильным ВЧ электрическим полем.

4. Определение предельного значения поля генерации в полупроводниковом лазере для случая сильного неоднородного электрического поля типа стоячей волны.

5. Возникновение пространственной дисперсии в изотропных диэлектриках, вызванной: а) флуктуациями анизотропии молекул, б) наличием нескольких сортов молекул.

6. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости одноосного кристалла, обусловленная тепловыми флуктуациями анизотропии молекул.

7. Спектры электромагнитных колебаний на поверхности композитов и искусственных кристаллов с учётом корреляционных эффектов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В течение последних десятилетий большое внимание уделяется изучению конденсированных сред с сильными корреляциями между их структурными единицами. Было установлено, что электрон-электронные корреляции служат причиной многих физических явлений, таких, как например: фазовый переход ''металл-изолятор'', ''тяжёлые фермионы'' в соединениях редкоземельных элементов, высокотемпературная сверхпроводимость, и т.д. Настоящая диссертация посвящена теоретическому изучению коллективных явлений в неоднородных конденсированных средах с учётом межчастичных корреляций. Лишь в случае длинноволновых полей вещество можно считать однородным. Причиной неоднородности сред могут быть: внешние неоднородные поля, поверхности раздела сред, коллективные возбуждения и волны в средах и т.д.

Среди большого числа проблем электродинамики конденсированных сред, одно из центральных мест занимает задача изучения свойств их электронных подсистем, определяющих целый ряд основных макропараметров этих сред. Например, диэлектрическая проницаемость вещества является одним из тех его параметров, которые определяют применение вещества в самых разных технологических целях. Не существует универсального способа расчёта этого параметра вещества. В зависимости от его класса, состояния и поставленной задачи используются разные подходы: микроскопический или макроскопический. В диссертации дан вывод выражений для диэлектрических проницаемостей широкого класса конденсированных веществ - как диэлектриков, так и веществ, обладающих проводимостью, металлов, полуметаллов и полупроводников, в конкретных ситуациях. В конденсированной среде среднее макроскопическое поле E и локальное поле Eloc, то есть поле, действующее на данную частицу среды со стороны всех остальных частиц, не равны друг другу. Различие этих полей связано с корреляциями положений и ориентаций соседних частиц и приводит к так называемым эффектам локального поля, описываемым бинарными функциями распределения частиц, которые наряду с одночастичными функциями распределения позволяют более полно описать неоднородные состояния вещества. Как отмечалось выше, неоднородностями являются поверхности раздела сред и волны на них, изучение которых служит своеобразным связующим элементом диссертации.

Диссертация состоит из шести глав. Условно их можно разбить на две части. В первых трёх главах диссертации изучаются коллективные корреляционные явления в двухкомпонентной электронной подсистеме металлов, полуметаллов и полупроводников. Поскольку она состоит из большого числа взаимодействующих частиц, в ней могут рождаться различные коллективные возбуждения, которые можно отнести к микронеоднородностям. В §1 главы 1 в рамках теории Ландау-Силина [3а,б,в; 4] изучено влияние обменно-корреляционного взаимодействия на бесспиновые объёмные коллективные возбуждения в металлах, находящихся в нормальном (несверхпроводящем) состоянии, в модели двухкомпонентной заряженной ферми-жидкости. Показано, что вследствие перенормировки дебаевского радиуса экранирования [5], изменяется скорость акустических плазмонов [43]. Отметим, что двухкомпонентная электронная жидкость металлов отличается от однокомпонентной тем, что в ней возможны заметные колебания плотности заряда каждой из компонент при нулевой полной плотности заряда. Благодаря этому в ней могут существовать нуль-звуковые колебания, обязанные своим существованием исключительно обменно-корреляционным эффектам локального поля, на что было указано в работе [6]. Однако там приводится лишь численное решение для одной, незатухающей, ветви нуль-звука при трёх значениях параметров, характеризующих жидкость. В §2 гл.1 показано, что существует ещё одна ветвь нуль-звука, но с отличным от нуля, хотя и малым, затуханием Ландау, и даны аналитические выражения для спектров обеих нуль-звуковых ветвей [43].





В пределе слабого запаздывания впервые иследованы также спектры поверхностных низкочастотных волн поляризации и нуль-звуковых колебаний на границе раздела: а) двух однокомпонентных электронных ферми-жидкостей и б) двухкомпонентной ферми-жидкости с диэлектриком. И в случае поверхностных возбуждений учёт корреляционных эффектов приводит к тем же следствиям, что и для объёмных волн: а) к перенормировке скорости акустических плазмонов и б) к поверхностным нуль-звуковым колебаниям [43]. Например, для поверхностных акустических плазмонов имеем:

= 02qxr01[1+A011-A021]1/2, (qxvF2<<<<qxvF1, qr01<<1) (1)

где 0i, vFi, r0i – частота плазменных колебаний, скорость на поверхности Ферми и дебаевский радиус экранирования электронов i- компоненты, A0ij – первые коэффициенты разложения функции Ландау. Все указанные особенности НЧ спектров коллективных возбуждений вследствие учёта межэлектронных корреляций содержат коэффициенты Ландау A0ij, что может быть использовано для их определения по спектрам характеристических потерь заряженных частиц, а в случае поверхностных волн и с помощью метода нарушенного полного внутреннего отражения.

Основной задачей второй главы является вывод методом функций Грина выражения для макроскопической диэлектрической проницаемости электронной подсистемы твёрдых тел (металлов, полупроводников и полуметаллов), в котором единым образом были бы учтены обменно-корреляционные (ферми-жидкостные) взаимодействия, процессы переброса и межзонные переходы электронов.

Первоначально теория заряженной ферми-жидкости была сформулирована в модели “желе” [4,7]. Из реальных тел, по-видимому, лишь жидкие металлы при температурах, близких к температуре плавления, могут описываться этой теорией. При нормальных (и низких) температурах металлы находятся в кристаллическом состоянии, то есть в системе существует дальний порядок, и она трансляционно неинвариантна. Формально в одночастичном формализме это обстоятельство требует перехода от плоских волн к блоховским функциям, или, что то же самое, от импульсного представления к энергетическому. Как следствие этого в системе возможны процессы переброса (b – единичный вектор обратной решётки) и межзонные переходы. Здесь уже можно использовать различные модельные подходы – приближение ортогонализованных плоских волн, приближение атомных орбиталей и т.п. - в результате чего могут быть получены качественные ответы и количественные оценки. Отметим, что в диссертации получена лишь продольная диэлектрическая проницаемость - отклик на продольное электромагнитное поле. Однако вследствие малости передаваемого импульса q (q<<b) пространственная дисперсия поперечной диэлектрической проницаемости является слабой [8], поэтому соответствующие поправки малы. Тем самым и влияние процессов переброса на поперечную проницаемость в этой области невелико, и в первом приближении им можно пренебречь. Заметим также, что полученные результаты можно обобщить на случай, когда поверхность Ферми приближается к границе зоны Бриллюэна. Для этого следует воспользоваться волновыми функциями вида: p(r)=pexp(ipr)+p+2b exp{i(p+2b)r}. Что касается электрон-фононного взаимодействия, то оно, определяя кинетические и термодинамические свойства металлов, может привести, например, к перестройке электронного спектра и переходу металла в сверхпроводящее состояние, и т.д. Полагая температуру системы меньше дебаевской и учитывая малый вклад электрон-фононного взаимодействия в вершинные части диаграмм Фейнмана в нормальном металле [9], будем пренебрегать взаимодействием электронов с колебаниями решётки.

Впервые учёт процессов переброса для d –электронов переходных металлов с помощью ферми-жидкостного подхода был произведён в [41]. В §1 главы 2 рассмотрена однозонная модель металла и показано, что в рамках микроскопической теории ферми-жидкости учёт процессов переброса сводится к введению ещё одной феноменологической величины: четырёхполюсника взаимодействия электронов Г’ с перебросом. В диссертации получена макроскопическая диэлектрическая проницаемость однокомпонентной электронной жидкости с учётом процессов переброса [46]:

l(q) =1-Z(x)-V(q)П1(q), (2)

где Z – плотность электронных состояний на поверхности Ферми, (x) – функция Линдхарда, V(q)=V0Х+Vс – cумма кулоновских потенциалов прямого (V0X= 4e2/q2) и обменного (Vс= 4e2/|p1 p2|2) взаимодействия электронов без переброса, p1 и p2-

импульсы ''входящих'' электронов, x=qvF/,

П1(q)=(4/a02)d4pd4p’(p,q)Г’(pp’q)(p’q), (3)

где (p,q)–полюсная часть произведения двух электронных гриновских функций G0(p)G0(p+q); a0=a(pF) – перенормировочный множитель функции G0(p); Г’(pp’q)-

четырёхполюсник взаимодействия электронов – сумма ''петлевых'' диаграмм, в которых вершинами служат кулоновские потенциалы взаимодействия электронов с перебросом, V(b) V0Х(b)+Vс(b). По существу в диссертации предложена ещё одна возможность определения диэлектрической проницаемости, обобщённая на случай сильного взаимодействия электронов. В классических работах [10,11] показано, что для нахождения макроскопической диэлектрической проницаемости требуется найти обращённую матрицу ( -1)bb’. Предложенный подход свободен от этой непростой процедуры.



Pages:   || 2 | 3 |
 

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.