Волна спиновой плотности - Spin density wave

Эта статья посвящена спиновым структурам в основном состоянии. Для режима возбуждения магнитных материалов см спиновая волна .

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 . Другие низкотемпературные основные состояния, которые встречаются в таких материалах, - это сверхпроводимость , ферромагнетизм и антиферромагнетизм . Переход к упорядоченных состояний приводится в движение за счет энергии конденсации , которая приблизительно , где это величина энергетической щели , открытого перехода.

По сути, SDW и CDW включают развитие сверхструктуры в виде периодической модуляции плотности электронных спинов и зарядов с характерной пространственной частотой , которая не преобразуется в соответствии с группой симметрии, описывающей положения ионов. Новую периодичность, связанную с ВЗП, можно легко наблюдать с помощью сканирующей туннельной микроскопии или электронной дифракции, в то время как более неуловимые ВСП обычно наблюдаются с помощью дифракции нейтронов или измерений восприимчивости . Если новая периодичность является рациональной долей или кратным постоянной решетки , волна плотности называется соизмеримой ; в противном случае волна плотности называется несоразмерной .

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 волнами высокой плотности, в то время как другие выбирают сверхпроводящее или магнитное основное состояние при низких температурах из-за существования векторов нестинга на поверхностях Ферми материалов . Концепция вектора нестинга проиллюстрирована на рисунке для известного случая хрома , который переходит из парамагнитного состояния в SDW при температуре Нееля 311 К. Cr представляет собой объемно-центрированный кубический металл, поверхность Ферми которого имеет множество параллельных границ между карманы для электронов с центром в точке и карманы с дырками в точке H. Эти большие параллельные области могут быть охвачены волновым вектором нестинга, показанным красным. Периодичность результирующей волны спиновой плотности в реальном пространстве определяется выражением . Образование SDW с соответствующей пространственной частотой вызывает открытие энергетической щели, которая снижает энергию системы. Существование SDW в Cr было впервые установлено в 1960 году 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 демонстрируют ВЗП. Совсем недавно было экспериментально показано, что одноатомные цепочки Co на металлической подложке демонстрируют неустойчивость ВЗП и приписываются ферромагнитным корреляциям.

Наиболее интригующим свойством 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 почти омическое поведение. Под напряжением депиннинга (которое зависит от чистоты материала) кристалл является изолятором .

Смотрите также

Рекомендации

  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 .; Bourgoin, JC (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, JP; Hennion, B .; Escribe-Filippini, C .; Сато, М. (1 марта 1991 г.). "Нейтронные исследования аномалии Кона, а также фазовых и амплитудных возбуждений волн 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. ^ Паттон, Брюс R .; Шам, LJ (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, ПК; Weitering, HH (2010). «Электронные нестабильности в самосборных атомных проволоках» . 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. Rev. B . 87 (16): 161406 (R). arXiv : 1208.0612 . Bibcode : 2013PhRvB..87p1406Z . DOI : 10.1103 / PhysRevB.87.161406 . S2CID  118474115 .

Общие ссылки

  1. Педагогическая статья по теме: "Волны плотности заряда и вращения", Стюарт Браун и Джордж Грунер, Scientific American 270, 50 (1994).
  2. Авторитетная работа по Cr: Fawcett, Eric (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 нестинге: электронная структура и свойства твердых тел, Уолтер А. Харрисон, ISBN  0-486-66021-4 .
  4. Наблюдение КДП АРПЕС : Борисенко С.В.; Кордюк А.А.; Яресько, АН; Заболотный, ВБ; 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. arXiv : 0704.1544 . DOI : 10.1103 / physrevlett.100.196402 . ISSN  0031-9007 . PMID  18518466 . S2CID  5532038 .
  5. Неустойчивость Пайерлса.
  6. Обширный обзор экспериментов Пьера Монсо за 2013 год. 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 .