Физики изучили моттовский переход

Фото: open-dubna.ru

Физики изучили моттовский переход, принципы которого могут быть перспективны для новых направлений электроники. Международная группа исследователей, в состав которой входят учёные из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, напрямую экспериментально наблюдала моттовский переход — превращение проводника в изолятор, обусловленное межэлектронным кулоновским отталкиванием.

Понимание механизмов перехода и управление им может привести к созданию новых элементов квантовых компьютеров. Статья опубликована в Nature Materials — самом цитируемом журнале, посвящённом материаловедению (импакт-фактор около 40).

Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ, комментирует: «В данной работе впервые удалось реализовать ситуацию, позволяющую „в чистом виде“ исследовать моттовский фазовый переход металл-диэлектрик и сопоставить его детали с теоретическими предсказаниями. Благодаря особенностям молекулярной структуры, в исследованных органических металлах магнитное упорядочение среди электронов не возникает при охлаждении до самых низких температур. Так что определяющим их свойства взаимодействием остаётся кулоновское отталкивание. Полученные результаты будут полезны в понимании свойств различных электронно-коррелированных систем, включая высокотемпературные сверхпроводники».

Моттовский изолятор, или когда электроны «запираются»

Что такое электрический ток? В школе нас учили, что по проводам, подходящим к вашему ноутбуку или настольной лампе, бегут электроны — элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом, примерно равным −1,6×10^−19 Кулон. В реальности процесс токопереноса в проводниках весьма непростой. Электроны, бегущие по проводу, взаимодействуют с атомами кристаллической решетки и друг с другом: все они заряжены отрицательно, а потому должны отталкиваться (закон Кулона). Для большинства материалов кулоновским отталкиванием можно пренебречь, поскольку кулоновская энергия U, которая характеризует интенсивность взаимодействия, много меньше средней кинетической энергии электронов W, называемой ещё шириной зоны проводимости. Однако в некоторых материалах наблюдается обратное соотношение, когда 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). Сейчас изоляторы с подобным образом «запертыми» электронами называют моттовскими.

Теоретические исследования показывают , что при уменьшении энергии U моттовский изолятор постепенно превращается в проводник (так называемый моттовский переход , Mott metal-insulator transition). Есть мнение , что межзарядовые корреляции типа моттовских должны играть существенную роль в формировании электронных свойств купратов с высокотемпературной сверхпроводимостью . К сожалению, увидеть подобный переход на практике очень сложно: как правило, свойства электронов оказываются в существенной степени подверженными магнитным взаимодействиям, в результате чего происходит переход в магнитно-упорядоченную фазу, что мешает выделить эффект моттовской диэлектризации.

Многие специалисты уверены, что на основе эффекта моттовского перехода могут быть созданы электронные элементы и узлы для быстрых компьютеров. Такие элементы могли бы заменить обычные транзисторы и при этом оказаться быстрее и компактнее. Но пока учёные только начинают исследовать это явление в эксперименте.

Квантовые спиновые жидкости

Группа физиков под руководством адъюнкт-профессора МФТИ Мартина Дресселя (Martin Dressel) для изучения эффекта решила взять   вместо обычных металлов спиновые жидкости. Спиновая жидкость — магнитное состояние вещества, обусловленное «жидким» поведением частиц со спинами при низких температурах. На сегодня известно лишь несколько материалов с такими свойствами.

У электронов есть особая квантовая степень свободы — спин. Условно, спин может быть направлен «вверх» или «вниз», иметь значение −1/2 и +1/2. Кроме этих двух состояний есть ещё их суперпозиция (наложение), как будто бы спин смотрит в какую-то другую сторону.  При достаточно высоких температурах спины могут быть неупорядочены. При понижении температуры межспиновые взаимодействия обычно приводят к появлению упорядоченного состояния. Но есть материалы, спины в которых не упорядочиваются даже при сверхнизких температурах. Вместо этого они образуют коллективные запутанные состояния. Возникновение такого состояния является квантовым явлением, а само состояние называется спиновой жидкостью. Грубо говоря, спиновая жидкость — это система, в которой намагниченные частицы взаимодействуют друг с другом, однако магнитный порядок не возникает. Отсутствие магнитного порядка в спиновых жидкостях и позволяет выделить эффекты, которые связаны со взаимодействием зарядов, а не спинов электронов, а потому в них проще наблюдать фазовый переход между моттовским изолятором и проводником.

Эксперимент показал моттовский переход

Для эксперимента учёные выбрали три материала, в которых электроны находятся в состоянии спиновой жидкости. Это довольно сложные органические соединения, сокращённо обозначаемые как EtMe, AgCN и CuCN. Для экспериментов исследователи использовали методики инфракрасной и терагерцовой спектроскопии. В этих методиках на исследуемые образцы направляется пучок электромагнитного излучения и фиксируется, какая часть этого излучения отразилась от исследуемого материала или прошла сквозь его достаточно тонкий слой. При этом частота, как говорят, зондирующего электромагнитного излучения может меняться, как и температура исследуемого образца, который помещается в специальное устройство — криостат.  В таких экспериментах физики изучили зависимость поглощения (называемого ещё оптической проводимостью) электромагнитного излучения в EtMe, AgCN и CuCN от частоты. Диапазон частот при этом варьировался от 100 до 4000 обратных сантиметров (обратный сантиметр — величина, обратная длине волны излучения в сантиметрах). Из полученных зависимостей исследователи извлекали значения кинетической энергии электронов W и кулоновской энергии взаимодействия между ними U.

 

  Рисунок 1. Зависимость проводимости электронных спиновых жидкостей от частоты: 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

Полученные в эксперименте точки учёные отложили на фазовой диаграмме, т.е. на плоскости (U/W,T/W) (T — температура материала), и получили линию, которая разделяет фазы изолятора и проводника. Её называют линией Уидома (quantum Widom line). В результате физикам удалось поймать моменты превращения каждой из жидкостей в моттовский изолятор, отслеживая изменение их параметров при понижении температуры. Оказалось, что в рамках экспериментальных погрешностей экспериментально построенная линия Уидома совпадает с теоретическими предсказаниями .

 

Рисунок 2. Точки, в которых спиновые жидкости превращаются из проводников в моттовские изоляторы: данные по EtMe отмечены чёрным, данные по AgCN — красным, данные по CuCN — синим. Пунктирными линиями отмечены экспериментальные погрешности. Теоретически рассчитанная линия Уидома разделяет цветную и белую области

Таким образом, физики впервые в чистом виде экспериментально наблюдали моттовский переход. Кроме этого в CuCN вблизи границы между областями было обнаружено состояние с металлическими квантовыми флуктуациями, которое до сих пор не наблюдалось из-за магнитного порядка.

Проведённые исследования помогут в будущем в разработке электронных компонентов с новыми свойствами.

Пресс-служба МФТИ

Автор: Татьяна Небольсина

Последние новости Подмосковья по теме:
Физики изучили моттовский переход

- Долгопрудный
Международная группа исследователей, в состав которой входят учёные из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, напрямую экспериментально наблюдала моттовский переход — превращение проводника в изолятор,
13:44 08.08.2018 МФТИ
Физики изучили моттовский переход - Дубна
Физики изучили моттовский переход, принципы которого могут быть перспективны для новых направлений электроники.
03:41 08.08.2018 OpenDubna.Ru
 
По теме
  Итоговое заседание совета по присуждению ежегодных премий губернатора Московской области «Наше Подмосковье» состоится во вторник, говорится в сообщении пресс-службы Главного управления социальных коммуникаций Подмосковья.
14.08.2018
В преддверии нового учебного года в Подмосковье начинают свою работу традиционные «Школьные базары», сообщает пресс-служба министерства потребительского рынка и услуг Московской области.
14.08.2018
ОИЯИ зарегистрировал компьютерную программу - OpenDubna.Ru В распоряжении Объединенного института ядерных исследований официально стало одной компьютерной программой больше - 1 августа Отдел лицензий и интеллектуальной собственности получил свидетельство о государственной регист
14.08.2018
 
Вышел в свет новый учебник по гомилетике, который был создан в рамках программы по подготовке новых учебных пособий для бакалавриата духовных школ Русской Православной Церкви.
13.08.2018
 
 
ОИЯИ зарегистрировал компьютерную программу - OpenDubna.Ru В распоряжении Объединенного института ядерных исследований официально стало одной компьютерной программой больше - 1 августа Отдел лицензий и интеллектуальной собственности получил свидетельство о государственной регист
14.08.2018 OpenDubna.Ru
В адрес генерального директора ПАО «МОЭСК» Петра Синютина и директора восточного филиала компании Александра Юртаева поступили благодарственные письма из управления образования администрации г.о.
13.08.2018 За новую жизнь
ОМВД России по Ступинскому району Московской области По данным пресс-службы отдела МВД России по городскому округу Ступино, за минувшую неделю на территории обслуживания зафиксировано 15 краж.
13.08.2018 Ступинская панорама
8 августа 2018 года Клинской городской прокуратурой поддержано государственное обвинение по уголовному делу в отношении К., осужденного за неправомерное завладение автомобилем без цели хищения (угон), с применением насилия,
13.08.2018 Серп и Молот
В библиотеке "Очаг" открылась выставка Ольги Шипаревой - Администрация г. Электросталь Персональная выставка члена Электростальского отделения Союза женщин Подмосковья Ольги Шипаревой «Стежок к стежку – рождается узор» открылась в специализированной библиотеке семейного чтения «Очаг».
13.08.2018 Администрация г. Электросталь
Игорь Брынцалов: 16 августа Мособлдума примет закон о бесплатном проезде на общественном транспорте Москвы для подмосковных пенсионеров - Московская областная Дума 16 августа Московская областная Дума проведёт внеочередное заседание. Председатель парламента Игорь Брынцалов рассказал о повестке.
13.08.2018 Московская областная Дума
День физкультурника в СК «Непецино» - Комитет по физической культуре и спорту 11 августа 2018 года в МУ СК «Непецино» прошел День физкультурника. Уже с 10 утра раздевалки начали занимать волейболисты, которые выявляли сильнейшую команду в смешанном стиле.
14.08.2018 Комитет по физической культуре и спорту
ЛЮБЕРЦЫ. 13 августа. INLUBERTSY.RU - В Люберцах строится первый «Ниндзя-квест» – спортивный аттракцион с полосой препятствий над мягким бассейном, сообщает Люберецкое информагентство.
14.08.2018 Люберецкая панорама
В этом году п.Ильинский отмечает свой вековой юбилей. Однако, несмотря на такой солидный возраст, лицо у него молодое и современное.
13.08.2018 Газета Родник
Операторы системы-112 Подмосковья - Правительство Московской области Источник: ©, пресс-служба заместителя председателя правительства Московской области Дмитрия Пестова С сентября 2017 года на горячую линию Фонда капитального ремонта многоквартирных домов Московской области поступило с
14.08.2018 Правительство Московской области