Терагерцовая спектроскопия материалов с электронными

Автор: Горшунов Борис Петрович

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».

загрузка...