Переход Пайерлса - Peierls transition

А Переход Пайерлса или Искажение Пайерлса является искажением периодической решетки одномерного кристалла. Позиции атомов колеблются, так что совершенный порядок одномерного кристалла нарушается.

Теорема Пайерлса

Теорема Пайерлса^[1] утверждает, что одномерная равноотстоящая цепочка с одним электроном на ион нестабильна.

Самая нижняя блоховская полоса неискаженной одномерной решетки.

Наинизшие блоховские зоны искаженной одномерной решетки. Энергетические разрывы появляются в ${\displaystyle ka=\pm \pi /2}$ в результате нестабильности Пайерлса.

Эта теорема была впервые поддержана в 1930-х гг. Рудольф Пайерлс. Это можно доказать, используя простую модель потенциала для электрона в одномерном кристалле с шагом решетки ${\displaystyle a}$. Периодичность кристалла создает энергию запрещенные зоны в ${\displaystyle \epsilon -k}$ диаграмма на краю зоны Бриллюэна ${\displaystyle ka=\pm \pi }$ (аналогично результату Модель Кронига – Пенни, что помогает объяснить происхождение запрещенных зон в полупроводниках). Если ионы вносят по одному электрону каждый, то полоса будет заполнена наполовину до значений ${\displaystyle ka=\pm \pi /2}$ в основном состоянии.

Пайерлсовское искажение одномерной периодической решетки.

Представьте себе искажение решетки, когда каждый другой ион движется ближе к одному соседу и дальше от другого, неблагоприятная энергия длинной связи между ионами перевешивается увеличением энергии короткой связи. Срок только что удвоился с ${\displaystyle a}$ к ${\displaystyle 2a}$. По сути, доказательство основано на том факте, что удвоение периода приведет к появлению новых запрещенных зон, кратных ${\displaystyle ka=\pm \pi /2}$; см. рисунок справа. Это привело бы к небольшой экономии энергии из-за искажения полос вблизи новых зазоров. Приближается ${\displaystyle ka=\pm \pi /2}$, искажение из-за введения новой запрещенной зоны приведет к тому, что электроны будут иметь более низкую энергию, чем они были бы в идеальном кристалле. Следовательно, это искажение решетки становится энергетически выгодным, когда экономия энергии из-за новой запрещенной зоны превышает затраты на упругую энергию перегруппировки ионов. Конечно, этот эффект будет заметен только тогда, когда электроны будут расположены близко к своему основному состоянию - другими словами, необходимо минимизировать тепловое возбуждение. Следовательно, переход Пайерлса должен наблюдаться при низкой температуре. Это основной аргумент в пользу возникновения перехода Пайерлса, иногда называемого димеризацией.

Историческое прошлое

Открытие Пайерлса получило экспериментальную поддержку в ходе попытки найти новые сверхпроводящие материалы. В 1964 году доктор Уильям Литтл из Стэндфордский Университет Департамент физики предположил, что определенный класс полимерных цепей может испытывать высокую Т_c сверхпроводящий переход.^[2] Основанием для его утверждения было то, что искажения решетки, приводящие к спариванию электронов в Теория BCS из сверхпроводимость вместо этого можно было бы заменить перегруппировкой электронной плотности в серии боковых цепей. Это означает, что теперь электроны будут нести ответственность за создание Куперовские пары вместо ионов. Поскольку температура перехода обратно пропорциональна квадратному корню из массы заряженной частицы, ответственной за искажения, Т_c следует улучшить на соответствующий коэффициент:

${\displaystyle {\frac {T}{T_{i}}}={\sqrt {\frac {M_{i}}{m_{e}}}}.}$

Нижний индекс я представляет собой «ион», а е представляет собой «электрон». Таким образом, прогнозируемое улучшение температуры сверхпроводящего перехода составило примерно 300 раз.

В 1970-х годах различные органические материалы, такие как TTF-TCNQ были синтезированы.^[3] Было обнаружено, что эти материалы претерпели изолирующий переход, а не сверхпроводящий. В конце концов стало ясно, что это первые экспериментальные наблюдения перехода Пайерлса. С введением новых запрещенных зон после искажения решетки электроны должны преодолеть этот новый энергетический барьер, чтобы стать свободными для проведения. Простая модель искажения Пайерлса как перегруппировки ионов в одномерной цепочке может описать, почему эти материалы стали изоляторами, а не сверхпроводниками.

Связанные физические последствия

Пайерлс предсказал, что перестройка ионных остовов при пайерлсовском переходе вызовет периодические флуктуации электронной плотности. Их обычно называют волны зарядовой плотности, и они являются примером переноса коллективных зарядов. Некоторые системы материалов подтвердили существование этих волн. Хорошими кандидатами являются слабосвязанные молекулярные цепочки, где электроны могут свободно перемещаться вдоль направления цепочек, но движение ограничено перпендикулярно цепям. NbSe₃ и K_0.3МоО₃ представляют собой два примера, в которых волны зарядовой плотности наблюдались при относительно высоких температурах 145 К и 180 К соответственно.^[4]

Кроме того, одномерная природа материала приводит к поломке Ферми жидкость теория поведения электронов. Следовательно, одномерный проводник должен вести себя как Жидкость Латтинжера вместо. Жидкость Латтинжера - это парамагнитный одномерный металл без Ландау квазичастица возбуждения.

Темы исследований

1-D металлы были предметом множества исследований. Вот несколько примеров как теоретических, так и экспериментальных исследований, чтобы проиллюстрировать широкий круг тем:

• Теория показала, что полимерные цепи, которые были зациклены и сформированы в кольца, претерпевают переход Пайерлса. Эти кольца демонстрируют постоянный ток, и искажение Пайерлса может быть изменено путем модуляции магнитного потока через петлю.^[5]
• Функциональная теория плотности был использован для расчета изменений длины связи, предсказываемых во все более длинных цепях органических олигомеров. Выбор того, какой гибридный функционал использовать, имеет первостепенное значение для получения точной оценки изменения длины связи, вызванного искажениями Пайерлса, поскольку было показано, что некоторые функционалы переоценивают колебания, а другие недооценивают его.^[6]
• Золото, нанесенное на ступенчатую поверхность Si (553), показало наличие двух одновременных переходов Пайерлса. Период решетки искажается в 2 и 3 раза, а энергетические щели открываются для зон, заполненных почти на 1/2 и на 1 / 3–1 / 4. Искажения были изучены и отображены с использованием LEED и СТМ, а энергетические зоны исследовались с ARP.^[7]
• Латтинджеровские жидкости имеют степенную зависимость сопротивления от температуры. Это было показано для пурпурная бронза (Ли_0.9Пн₆О₁₇).^[8] Пурпурная бронза может оказаться очень интересным материалом, поскольку она показала перенормировку аномального показателя плотности состояний Латтинджеровской жидкости:^[9] который является одним из параметров, которые используются для описания поведения жидкости Латтинжера.^[10]
• Изучена зависимость резонансного туннелирования через островковые барьеры в одномерной проволоке, которая также является степенной. Это является дополнительным свидетельством поведения жидкости Латтинжера.^[11]

Смотрите также

• Волна плотности заряда
• Жидкость Латтинжера

использованная литература

1. Фаулер, Майкл (28 февраля 2007 г.). «Электроны в одном измерении: переход Пайерлса».
2. В. А. Литтл (1964). «Возможность синтеза органического сверхпроводника». Физический обзор. 134 (6A): A1416 – A1424. Bibcode:1964ПхРв..134.1416Л. Дои:10.1103 / PhysRev.134.A1416.
3. П. В. Андерсон; П. А. Ли; М. Сайто (1973). «Замечания о гигантской проводимости в TTF-TCNQ». Твердотельные коммуникации. 13 (5): 595–598. Bibcode:1973SSCom..13..595A. Дои:10.1016 / S0038-1098 (73) 80020-1.
4. Торн, Роберт (май 1996). "Зарядно-волновые проводники" (PDF). Физика сегодня.
5. С. Д. Лян; Я. Х. Бай; Б. Бенг (2006). «Неустойчивость Пайерлса и постоянный ток в мезоскопических проводящих полимерных кольцах». Физический обзор B. 74 (11): 113304. Bibcode:2006PhRvB..74k3304L. Дои:10.1103 / PhysRevB.74.113304.
6. Д. Жакмен; А. Фемениас; Х. Черметте; И. Чофини; К. Адамо; J. M. Andr; Э. А. Перпте (2006). «Оценка нескольких гибридных функций DFT для оценки чередования длин связей увеличивающихся длин олигомеров». Журнал физической химии А. 110 (17): 5952–5959. Bibcode:2006JPCA..110.5952J. Дои:10.1021 / jp060541w. PMID  16640395.
7. Дж. Р. Ан; П. Г. Канг; К. Д. Рянг; H.W. Йом (2005). «Сосуществование двух различных пайерлсовских искажений в проволоке атомного масштаба: Si (553) -Au». Письма с физическими проверками. 95 (19): 196402. Bibcode:2005ПхРвЛ..95с6402А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.95.196402. PMID  16384001.
8. К. А. М. душ Сантуш; М. С. да Луз; Йи-Куо Ю; Дж. Дж. Ноймайер; Дж. Морено; Б. Д. Уайт (2008). «Электротранспорт в монокристаллическом Li_0.9Пн₆О₁₇: Двухзонная жидкость Латтинжера, проявляющая свойства бозе-металла ". Физический обзор B. 77 (19): 193106. Bibcode:2008PhRvB..77s3106D. Дои:10.1103 / PhysRevB.77.193106.
9. Ф. Ван; Дж. В. Альварес; С.-К. Мо; Дж. У. Аллен; Г.-Х. Гвеон; J. He; Р. Джин; Д. Мандрус; Х. Хёхст (2006). "Новая физика жидкости Латтинжера по фотоэмиссии на Li_0.9Пн₆О₁₇". Письма с физическими проверками. 96 (19): 196403. arXiv:cond-mat / 0604503. Bibcode:2006PhRvL..96s6403W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.96.196403. PMID  16803117. S2CID  10365828.
10. Войт, Йоханнес (5 мая 2000 г.). «Краткое введение в жидкости Латтинжера». Материалы конференции AIP. 544: 309–318. arXiv:cond-mat / 0005114. Bibcode:2000AIPC..544..309В. Дои:10.1063/1.1342524. S2CID  117040555.
11. О. М. Ауслендер; А. Якоби; Р. де Пиччиотто; К.В. Болдуин; Л. Н. Пфайффер; К.В. Запад (2000). «Экспериментальное свидетельство резонансного туннелирования в жидкости Латтинжера». Письма с физическими проверками. 84 (8): 1764–1767. arXiv:cond-mat / 9909138. Bibcode:2000ПхРвЛ..84.1764А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.84.1764. PMID  11017620. S2CID  11317080.