Волна спиновой плотности - Spin density wave

Эта статья о спиновых структурах в основном состоянии. О режиме 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 анизотропный, низкоразмерные материалы или металлы с высокой плотностью состояний на уровне Ферми ${\displaystyle N(E_{F})}$. Прочие низкотемпературные основные состояния которые встречаются в таких материалах сверхпроводимость, ферромагнетизм и антиферромагнетизм. Переход в упорядоченные состояния обусловлен энергией конденсации, которая приблизительно равна ${\displaystyle N(E_{F})\Delta ^{2}}$ куда ${\displaystyle \Delta }$ это величина энергетический разрыв открыта переходом.

По сути, SDW и CDW включают в себя разработку надстройка в виде периодической модуляции плотности электронных спины и заряды с характерной пространственной частотой ${\displaystyle q}$ который не преобразуется в соответствии с группой симметрии, описывающей ионные положения. новую периодичность, связанную с ВЗП, можно легко наблюдать, используя сканирующая туннельная микроскопия или же электронная дифракция в то время как более неуловимые SDW обычно наблюдаются через нейтронная дифракция или же восприимчивость измерения. Если новая периодичность является рациональной дробью или кратной постоянная решетки, волна плотности называется соразмерный; иначе волна плотности называется несоизмеримый.

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 указывает на границу первого Зона Бриллюэна.

Некоторые твердые вещества с высоким ${\displaystyle N(E_{F})}$ образуют волны плотности, в то время как другие выбирают сверхпроводящее или магнитное основное состояние при низких температурах из-за существования гнездовые векторы в материалах ' Поверхности Ферми. Концепция вектора вложенности проиллюстрирована на рисунке для известного случая хром, который переходит из парамагнитного состояния в ВСП при Температура Нееля 311 К. Cr является объемно-центрированный кубический металл, поверхность Ферми которого имеет множество параллельных границ между электронными карманами с центром в ${\displaystyle \Gamma }$ и карманы отверстий в H. Эти большие параллельные области могут быть охвачены волновым вектором нестинга. ${\displaystyle q}$ показан красным. Периодичность результирующей волны спиновой плотности в реальном пространстве определяется выражением ${\displaystyle 2\pi /q}$. Образование SDW с соответствующей пространственной частотой вызывает открытие энергетической щели, которая снижает энергию системы. Существование ВСП в Cr было впервые установлено в 1960 г. Альберт Оверхаузер из Purdue. Теория CDW была впервые выдвинута Рудольф Пайерлс из Оксфордский университет, 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,^[1] TaSe₂^[2] и K_0.3МоО₃ (а Фаза Шевреля )^[3] и квазиодномерные органические проводники, такие как TMTSF или TTF-TCNQ.^[4] CDW также распространены на поверхности твердых тел, где их чаще называют поверхностные реконструкции или даже димеризация. 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 имеют ВЗП.^[5] Совсем недавно было экспериментально показано, что одноатомные цепочки Co на металлической подложке демонстрируют неустойчивость ВЗП и приписываются ферромагнитным корреляциям.^[6]

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. В гистерезисный движение волн плотности поэтому мало чем отличается от движения вывихи или же магнитные домены. Таким образом, вольт-амперная кривая твердого тела CDW показывает очень высокое электрическое сопротивление вплоть до напряжения депиннинга, выше которого она показывает почти омический поведение. Под действием напряжения депиннинга (которое зависит от чистоты материала) кристалл представляет собой изолятор.

Смотрите также

• Переход Пайерлса
• Надстройка (конденсированное вещество)

Рекомендации

1. Грюнер, Г. (1 сентября 1988 г.). «Динамика волн зарядовой плотности». Обзоры современной физики. Американское физическое общество (APS). 60 (4): 1129–1181. Bibcode:1988РвМП ... 60.1129Г. Дои:10.1103 / revmodphys.60.1129. ISSN  0034-6861.
2. Мутка, Х .; Zuppiroli, L .; Molinié, P .; Бургуэн, Дж. К. (15 мая 1981 г.). «Волны зарядовой плотности и локализация в облученном электронами 1T − TaS.₂". Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 23 (10): 5030–5037. Дои:10.1103 / Physrevb.23.5030. ISSN  0163-1829.
3. Pouget, J. P .; 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_0.3МоО₃". Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 43 (10): 8421–8430. Дои:10.1103 / Physrevb.43.8421. ISSN  0163-1829. PMID  9996473.
4. Паттон, Брюс Р .; Шам, Л. Дж. (3 сентября 1973 г.). «Проводимость, сверхпроводимость и неустойчивость Пайерлса». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 31 (10): 631–634. Дои:10.1103 / Physrevlett.31.631. ISSN  0031-9007.
5. Snijders, P.C .; Вейтеринг, Х. Х. (2010). «Электронные нестабильности в самосборных атомных проволоках». Ред. Мод. Phys. 82 (1): 307–329. Bibcode:2010РвМП ... 82..307С. Дои:10.1103 / RevModPhys.82.307.
6. Заки, Надер; и другие. (2013). «Экспериментальное наблюдение димеризации атомной одномерной системы, вызванной спиновым обменом». Phys. Ред. B. 87 (16): 161406 (R). arXiv:1208.0612. Bibcode:2013PhRvB..87p1406Z. Дои:10.1103 / PhysRevB.87.161406. S2CID  118474115.

Общие ссылки

1. Педагогическая статья по теме: «Волны плотности заряда и спина», Стюарт Браун и Джордж Грюнер, Scientific American 270, 50 (1994).
2. Авторитетная работа по Cr: Фосетт, Эрик (1988-01-01). «Антиферромагнетизм спиновых волн плотности в хроме». Обзоры современной физики. Американское физическое общество (APS). 60 (1): 209–283. Bibcode: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 КДП ARPES: Борисенко, С. В .; Кордюк, А. А .; Яресько, А. Н .; Заболотный, В.Б .; Иносов, Д. С .; и другие. (13.05.2008). «Псевдощель и волны плотности заряда в двух измерениях». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 100 (19): 196402. Дои: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 в физике. Informa UK Limited. 61 (4): 325–581. arXiv:1307.0929. Bibcode:2012AdPhy..61..325M. Дои:10.1080/00018732.2012.719674. ISSN  0001-8732. S2CID  119271518.