Волна плотности вращения

Волна спиновой плотности (SDW) и волна зарядовой плотности (CDW) - это названия двух похожих низкоэнергетических упорядоченных состояний твердых тел. Оба эти состояния возникают при низкой температуре в анизотропных низкоразмерных материалах или в металлах с высокой плотностью состояний на уровне Ферми $N\; (EF)\; \{\backslash \; displaystyle\; N\; (E\_\; \{F\})\; \}$. Другими низкотемпературными основными состояниями, которые встречаются в таких материалах, являются сверхпроводимость, ферромагнетизм и антиферромагнетизм. Переход в упорядоченное состояние осуществляется за счет энергии конденсации, которая составляет примерно $N\; (EF)\; \Delta \; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; N\; (E\_\; \{F\})\; \backslash \; Delta\; ^\; \{2\}\}$где $\Delta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\}$- величина энергетической щели, открытой переходом.

По сути, SDW и CDW включают развитие сверхструктуры в виде периодической модуляции плотности электронных спинов и зарядов с характерной пространственной частотой $q\; \{\backslash \; displaystyle\; q\}$, который не преобразуется в соответствии с группой симметрии, которая описывает положения ионов. Новую периодичность, связанную с ВЗП, можно легко наблюдать с помощью сканирующей туннельной микроскопии или дифракции электронов, в то время как более неуловимые ВСП обычно наблюдаются с помощью дифракции нейтронов или восприимчивость измерения. Если новая периодичность является рациональной долей или кратным постоянной решетки, волна плотности называется соизмеримой ; иначе называется волна плотности.

Набросок в k-пространстве сечения (001) поверхности Ферми Cr. Зонная структура Cr дает электронный карман (зеленый) с центром в гамме и дырочный карман (синий) с центром в H. Окружающий черный квадрат обозначает границу первой зоны Бриллюэна.

Некоторые твердые тела с высоким $N\; (EF)\; \{\backslash \; displaystyle\; N\; (E\_\; \{F\})\}$формируют волны плотности, в то время как другие выбирают сверхпроводящее или магнитное основное состояние при низких температурах из-за наличия в материалах 'Поверхности Ферми. Концепция вектора вложенности проиллюстрирована на рисунке для известного случая хрома, который переходит из парамагнитного состояния в SDW-состояние при температуре Нееля, равной 311 К. Cr является объемно-центрированный кубический металл, поверхность Ферми которого имеет множество параллельных границ между электронными карманами с центром в $\Gamma \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Gamma\}$и дырочными карманами с центром H. Эти большие параллельные области могут быть охватывается вложенным волновым вектором $q\; \{\backslash \; displaystyle\; q\}$, показанным красным. Периодичность результирующей волны спиновой плотности в реальном пространстве определяется выражением $2\; \pi \; /\; q\; \{\backslash \; displaystyle\; 2\; \backslash \; pi\; /\; q\}$. Образование SDW с соответствующей пространственной частотой вызывает открытие энергетической щели, которая снижает энергию системы. Существование SDW в Cr было впервые установлено в 1960 г. Альбертом Оверхаузером из Purdue. Теория ВЗП была впервые выдвинута Рудольфом Пайерлсом из Оксфордского университета, который пытался объяснить сверхпроводимость.

Многие низкоразмерные твердые тела имеют анизотропные поверхности Ферми с заметными векторами нестинга. Хорошо известные примеры включают слоистые материалы, такие как NbSe 3, TaSe 2 и K 0,3 MoO 3 (фаза Шевреля ) и квазиодномерные органические проводники, такие как TMTSF или TTF-TCNQ. CDW также распространены на поверхности твердых тел, где их чаще называют реконструкциями поверхности или даже димеризацией. Поверхности так часто поддерживают ВЗП, потому что их можно описать двумерными поверхностями Ферми, такими как поверхности слоистых материалов. Было показано, что цепочки из Au и In на полупроводниковых подложках имеют ВЗП. Совсем недавно было экспериментально показано, что одноатомные цепочки Co на металлической подложке демонстрируют нестабильность ВЗП и приписываются ферромагнитным корреляциям.

Наиболее интригующими свойствами волн плотности является их динамика. В соответствующем электрическом поле или магнитном поле волна плотности будет «скользить» в направлении, указанном полем, из-за электростатической или магнитостатической силы. Обычно скольжение не начинается до тех пор, пока не будет превышено пороговое поле «депиннинга», когда волна может выйти из потенциальной ямы, вызванной дефектом. Следовательно, гистерезисное движение волн плотности мало чем отличается от движения дислокаций или магнитных доменов. Таким образом, вольт-амперная кривая твердого тела CDW показывает очень высокое электрическое сопротивление вплоть до напряжения депиннинга, выше которого она показывает поведение, близкое к омическому. Под напряжением депиннинга (которое зависит от чистоты материала) кристалл является изолятором.

• переход Пайерлса
• Сверхструктура (конденсированное вещество)

1. ^Грюнер, Г. (1 сентября 1988 г.). «Динамика волн зарядовой плотности». Обзоры современной физики. Американское физическое общество (APS). 60 (4): 1129–1181. Bibcode : 1988RvMP... 60.1129G. doi : 10.1103 / revmodphys.60.1129. ISSN 0034-6861.
2. ^Mutka, H.; Zuppiroli, L.; Molinié, P.; Бургуан, Дж. К. (15 мая 1981 г.). «Волны зарядовой плотности и локализация в облученном электронами 1T-TaS 2 ». Physical Review B. Американское физическое общество (APS). 23 (10): 5030–5037. doi : 10.1103 / physrevb.23.5030. ISSN 0163-1829.
3. ^Pouget, J. P.; Hennion, B.; Escribe-Filippini, C.; Сато, М. (1 марта 1991 г.). "Исследование рассеянием нейтронов аномалии Кона, а также фазовых и амплитудных возбуждений волны зарядовой плотности голубой бронзы K 0,3 MoO 3 ". Physical Review B. Американское физическое общество (APS). 43 (10): 8421–8430. doi : 10.1103 / physrevb.43.8421. ISSN 0163-1829. PMID 9996473.
4. ^Patton, Bruce R.; Шам, Л. Дж. (3 сентября 1973 г.). «Проводимость, сверхпроводимость и неустойчивость Пайерлса». Письма с физическим обзором. Американское физическое общество (APS). 31 (10): 631–634. DOI : 10.1103 / Physrevlett.31.631. ISSN 0031-9007.
5. ^Снайдерс, П.К.; Вейтеринг, Х. Х. (2010). «Электронные нестабильности в самосборных атомных проводах». Ред. Мод. Phys. 82 (1): 307–329. Bibcode : 2010RvMP... 82..307S. doi : 10.1103 / RevModPhys.82.307.
6. ^Заки, Надер; и другие. (2013). «Экспериментальное наблюдение димеризации атомной одномерной системы, вызванной спиновым обменом». Phys. Ред. B. 87 (16): 161406 (R). arXiv : 1208.0612. Bibcode : 2013PhRvB..87p1406Z. doi : 10.1103 / PhysRevB.87.161406. S2CID 118474115.

1. Педагогическая статья по теме: «Волны зарядовой и спиновой плотности», Стюарт Браун и Джордж Грунер, Scientific American 270, 50 (1994).
2. Авторитетная работа по Cr: Фосетт, Эрик (1988-01-01). «Антиферромагнетизм спиновых волн плотности в хроме». Обзоры современной физики. Американское физическое общество (APS). 60 (1): 209–283. Bibcode : 1988RvMP... 60..209F. doi : 10.1103 / revmodphys.60.209. ISSN 0034-6861.
3. О поверхностях Ферми и вложении: электронная структура и свойства твердых тел, Уолтер А. Харрисон, ISBN 0- 486-66021-4.
4. Наблюдение КЗП АРПЕС : Борисенко С.В.; Кордюк, А. А.; Яресько, А. Н.; Заболотный, В.Б.; Иносов, Д. С.; и другие. (13.05.2008). «Псевдощель и волны плотности заряда в двух измерениях». Письма с физическим обзором. Американское физическое общество (APS). 100 (19): 196402. doi : 10.1103 / Physrevlett.100.196402. ISSN 0031-9007. PMID 18518466. S2CID 5532038.
5. нестабильность Пайерлса.
6. Обширный обзор экспериментов по состоянию на 2013 год, проведенный Пьером Монсо. Монсо, Пьер (2012). «Электронные кристаллы: экспериментальный обзор». Успехи физики. Informa UK Limited. 61 (4): 325–581. arXiv : 1307.0929. Bibcode : 2012AdPhy..61..325M. DOI : 10.1080 / 00018732.2012.719674. ISSN 0001-8732. S2CID 119271518.