Волна спиновой плотности

Эта статья о спиновых структурах основного состояния. О режиме возбуждения магнитных материалов см. спиновую волну .

Волна спиновой плотности (ВСП) и волна зарядовой плотности (ВЗП) — это названия двух похожих низкоэнергетических упорядоченных состояний твердых тел. Оба эти состояния возникают при низкой температуре в анизотропных низкоразмерных материалах или в металлах, которые имеют высокую плотность состояний на уровне Ферми. $N(E_{F})$. Другими низкотемпературными основными состояниями , возникающими в таких материалах, являются сверхпроводимость , ферромагнетизм и антиферромагнетизм . Переход к упорядоченным состояниям осуществляется за счет энергии конденсации, которая примерно равна $N(E_{F})\Delta ^{2}$ где $\Delta$ — величина энергетической щели, открытой в результате перехода.

По сути, ВСП и ВЗП связаны с развитием сверхструктуры в виде периодической модуляции плотности электронных спинов и зарядов с характерной пространственной частотой. $q$ который не трансформируется в соответствии с группой симметрии, описывающей ионные позиции.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 нейтронной дифракции или измерений восприимчивости . Если новая периодичность является рациональной частью или кратной постоянной решетки , волна плотности называется соизмеримой ; в противном случае волна плотности называется несоизмеримой .

Эскиз в k-пространстве сечения (001) поверхности Ферми Cr. Зонная структура Cr образует электронный карман (зеленый) с центром в точке Гамма и дырочный карман (синий) с центром в H. Окружающий черный квадрат указывает границу первой зоны Бриллюэна .

Некоторые твердые вещества с высоким $N(E_{F})$ образуют волны плотности, в то время как другие выбирают сверхпроводящее или магнитное основное состояние при низких температурах из-за существования векторов гнездования материалов на поверхностях Ферми . Концепция вектора нестинга проиллюстрирована на рисунке для знаменитого случая хрома , который переходит из парамагнитного состояния в SDW-состояние при температуре Нееля 311 К. Cr представляет собой объемноцентрированный кубический металл, поверхность Ферми которого имеет множество параллельных границ между электронные карманы с центром в $\Gamma$ и дырочные карманы в точке H. Эти большие параллельные области можно охватить волновым вектором вложения $q$ показано красным. Периодичность результирующей волны спиновой плотности в реальном пространстве определяется выражением $2\pi /q$. Образование ВСП с соответствующей пространственной частотой приводит к открытию энергетической щели, понижающей энергию системы. Существование SDW в Cr было впервые предположено 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 , ТаСе ₂ и K _0,3 MoO ₃ ( фаза Шевреля ) и квази-1D органические проводники, такие как TMTSF или TTF-TCNQ. ВЗП 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, как и у слоистых материалов. Было показано, что цепочки Au и In на полупроводниковых подложках обладают ВЗП. Совсем недавно было экспериментально показано, что одноатомные цепочки Co на металлической подложке обладают нестабильностью ВЗП, что было объяснено ферромагнитными корреляциями.

Наиболее интригующими свойствами волн плотности является их динамика. Под соответствующим электрическим или магнитным полем 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», при котором волна может выйти из потенциальной ямы, вызванной дефектом. Поэтому гистерезисное движение волн плотности мало чем отличается от движения дислокаций или магнитных доменов . Таким образом, вольт-амперная кривая твердого тела ВЗП демонстрирует очень высокое электрическое сопротивление вплоть до напряжения депиннинга, выше которого оно демонстрирует почти омическое поведение. Под напряжением депиннинга (которое зависит от чистоты материала) кристалл является изолятором .

См. также

• Переход Пайерлса
• Надстройка (конденсированное вещество)

Общие ссылки

1. Педагогическая статья на тему: «Волны зарядовой и спиновой плотности», Стюарт Браун и Джордж Грюнер, Scientific American 270, 50 (1994).
2. Авторитетные работы по Cr: Фосетт, Эрик (1 января 1988 г.). «Антиферромагнетизм волн спиновой плотности в хроме». Обзоры современной физики . 60 (1). Американское физическое общество (APS): 209–283. Бибкод : 1988РвМП...60..209Ф . дои : 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 CDW с помощью ARPES : Борисенко С.В.; Кордюк А.А.; Яресько А.Н.; Заболотный В.Б.; Иносов Д.С.; и др. (13 мая 2008 г.). «Псевдощель и волны зарядовой плотности в двух измерениях» . Письма о физических отзывах . 100 (19): 196402. arXiv : 0704.1544 . Бибкод : 2008PhRvL.100s6402B . doi : 10.1103/physrevlett.100.196402 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   18518466 . S2CID   5532038 .
5. Нестабильность Пайерлса.
6. Обширный обзор экспериментов Пьера Монсо по состоянию на 2013 год. Монсо, Пьер (2012). «Электронные кристаллы: экспериментальный обзор». Достижения физики . 61 (4). Информа Великобритания Лимитед: 325–581. arXiv : 1307.0929 . Бибкод : 2012AdPhy..61..325M . дои : 10.1080/00018732.2012.719674 . ISSN   0001-8732 . S2CID   119271518 .