Аналіз ролі фононів у формуванні орбітальної структури тетрагональних ян-теллеровських кристалів. Побудова теорії взаємодії фононів з еніонними квазічастинками. Розгляд ефектів, які є свідченням наявності еніонних квазічастинок в твердотільних системах.
При низкой оригинальности работы "Колективні явища за участю фононів в низьковимірних сильнокорельованих системах", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Ця обставина дозволяє віднести такі системи до низьковимірних, що визначає спільність підходів до теорії високотемпературної надпровідності і теорії дробового квантового ефекту Хола. У цьому звязку, виникає важлива проблема експериментальної верифікації нових моделей, що, з точки зору теорії, вимагає розгляду механізмів взаємодії цих систем із зовнішніми і внутрішніми полями і визначення ефектів, що можуть розглядатися як можливе незалежне підтвердження адекватності тих чи інших модельних підходів. Тому вивчення взаємодії фононів з силькорельованими електронами є важливою задачею як для розуміння особливостей формування електронної структури, так і для визначення тих ефектів, що можуть бути використані для ідентифікації нових квантових фаз і фазових перетворень нового типу, реєстрації колективних збуджень незвичайної природи. Фонони в цих системах є внутрішніми низькочастотними колективними збудженнями, структура яких істотно впливає на надплинні властивості, і які є причиною порушення фазової когерентності в низьковимірних Бозе системах. Мета дослідження полягає в побудові теорії колективних явищ за участю фононів в сильнокорельованих двовимірних і шаруватих електронних та двовимірних бозонних системах і в визначенні на цій основі процесів і механізмів, у яких фонони виступають як інструмент для спостереження нових квазічастинок і фазових перетворень нового типу, та у якості внутрішнього агенту, що формує структуру основного стану і визначає макроскопічні властивості таких систем.Обчислення констант взаємодії між псевдоспінами показує, що взаємодія є повільно спадаюча функція відстані між янтеллеровськими іонами. Отримані залежності Jab(q) показують, що в системі можна чекати формування так званої AB структури, у якій орбітальний стан на вузлі характеризується постійним значенням tz і постійним по модулю і змінним за знаком (у шаховому порядку) значенням tx. Хоча умова (5) для досліджуваного кристала не виконується (h=0,5ЕВ, Jxx(X)-Jzz(0)=0,2ЕВ), система знаходиться у стані, близькому до точки нестабільності і додаткові каналі взаємодії між псевдоспінами можуть перевести систему в змішаний стан. Оскільки енергія (4) зумовлює появу в динамічній матриці членів, то мають структуру принципово відмінну від членів, що дає модель центральних сил, помякшення не може бути описаним тільки зміною силових констант в моделі центральних сил без урахування ян-теллеровського механізму. Для випадку, коли симетрія кристалічної гратки матриці є кубічною, саме ця взаємодія визначає орієнтацію вігнеровського кристалу відносно кристалографічних осей матриці.У дисертації наведено вирішення наукової проблеми, яка полягає у встановленні взаємозвязку між властивостями фононних збуджень та структурою основного квантового стану низьковимірних сильнокорельованих електронних і Бозе систем. Результатом дослідження є побудова нових та узагальнення і розвиток існуючих теоретичних моделей, що описують взаємодію фононів з низьковимірними електронними системами, а також колективні збудження в низьковимірних Бозе системах. Встановлені закономірності дозволяють визначити мікроскопічні і макроскопічні властивості двовимірніх і квазідвовимірних електронних та двовимірних Бозе систем, і, відповідно, їх функціональні характеристики, в залежності від внутрішніх параметрів, геометрії системи, типу і структури зовнішніх полів. Показано, що завдяки анізотропії ефект Яна-Теллера може скласти конкуренцію первинному розщепленню ян-теллеровських рівнів, яке має місце в тетрагональних кристалах. Подібно до фріделівських осциляцій, в даному випадку осциляції густини індукованого заряду мають місце на значній відстані від пробного заряду, але на відміну від фріделівських осциляцій залежність густини від відстані має іншу асимптотику, і осциляції значно зростають при наближенні фактора заповнення до значення n=1/2.
План
Основний зміст дисертації
Вывод
У дисертації наведено вирішення наукової проблеми, яка полягає у встановленні взаємозвязку між властивостями фононних збуджень та структурою основного квантового стану низьковимірних сильнокорельованих електронних і Бозе систем. Результатом дослідження є побудова нових та узагальнення і розвиток існуючих теоретичних моделей, що описують взаємодію фононів з низьковимірними електронними системами, а також колективні збудження в низьковимірних Бозе системах. Знайдені нові колективні ефекти, які зумовлені впливом структури основного стану електронної підсистеми на властивості акустичних та оптичних фононних збуджень, а також зворотним впливом фононів на квантовий стан сильнокорельованих електронів. Встановлені закономірності дозволяють визначити мікроскопічні і макроскопічні властивості двовимірніх і квазідвовимірних електронних та двовимірних Бозе систем, і, відповідно, їх функціональні характеристики, в залежності від внутрішніх параметрів, геометрії системи, типу і структури зовнішніх полів.
Головні висновки та результати роботи є такими.
1. Побудована мікроскопічна анізотропна модель кооперативного ефекту Яна-Теллера в тетрагональних кристалах, яка послідовно ураховує тетрагональне кристалічне поле і нелінійність ян-теллеровської взаємодії. Показано, що завдяки анізотропії ефект Яна-Теллера може скласти конкуренцію первинному розщепленню ян-теллеровських рівнів, яке має місце в тетрагональних кристалах. Відповідно, роль кооперативного ефекту Яна-Теллера у процесах формування змішаного орбітального стану значно зростає.
2. Запропонований ян-теллеровський механізм перенормування фононних спектрів. Визначено, що спектр фононів в ян-теллеровських системах залежить від орбітальної структури. Описані аномальні властивості верхніх оптичних мод, що спостерігаються в La2CUO4 в експериментах по непружному розсіянню нейтронів.
3. Побудована теорія орієнтаційного пінінгу вігнеровських кристалів в анізотропних пєзоелектричних матрицях, що базується на фононному механізмі. Розвинутий модифікований варіант методу Евальда для розрахунку граткових сум з анізотропною взаємодією загального виду. Знайдена орієнтація моношарових і двошарових вігнеровських кристалів в матриці GAAS. Визначено, що фононний механізм ориєнтаційного пінінгу відіграє вирішальну роль в процесах переорієнтації двошарових вігнеровских кристалів і визначає можливість формування в них доменних структур.
4. Розвинута фононна модель орієнтаційного пінінгу страйп-структур в квантових холовских системах. Запропонований новий механізм зниження симетрії орієнтаційної енергії страйпів, що виникає завдяки інтерференції між пєзоелектричним та деформаційним каналами електрон-фононної взаємодії. Інтерференційний механізм є поверхневим ефектом і реалізується, коли період страйп-структури перевищує відстань між електронним шаром і поверхнею зразка. На основі фононної моделі пояснена анізотропія провідності в (100) та (311) шарах в матриці GAAS.
5. Побудована теорія еніон-фононної взаємодії. Визначено, що наявність в твердотільних системах еніонних збуджень приводить до виникнення осциляційної залежності фазової швидкості акустичних фононів від хвильового вектора. Структура осциляцій визначається статистикою еніонів. Ефект, що описано, дозволяє використовувати фонони для непрямого спостереження еніонних збуджень та визначення їх статистики.
6. Знайдено ефект осциляційної залежності від відстані густини індукованого заряду в двовимірній електронній системі в режимі дробового квантового ефекту Хола. Подібно до фріделівських осциляцій, в даному випадку осциляції густини індукованого заряду мають місце на значній відстані від пробного заряду, але на відміну від фріделівських осциляцій залежність густини від відстані має іншу асимптотику, і осциляції значно зростають при наближенні фактора заповнення до значення n=1/2. Картина осциляцій в двошарових системах суттєво змінюється при фазових перетвореннях топологічного типу, Останній ефект може бути використаним для непрямого спостереження таких фазових перетворень.
7. Показано, що акустична неоднорідність напівпровідникових гетероструктур, які використовуються для реалізації двошарових електронних систем, зумовлює існування в таких структурах хвилевідних фононних мод. Побудована теорія взаємодії хвилевідних мод з двовимірними електронами. Знайдено, що взаємодія хвилевідних мод з двошаровою електронною підсистемою зростає зі зменшенням довжини хвилі і досягає максимуму при довжині хвилі порядку відстані між шарами. Така поведінка є принципово відмінною від тієї, що має місце при взаємодії з двовимірними електронами поверхневої акустичної хвилі, для якої взаємодія експоненціально зменшується при зменшенні довжини хвилі. Це дозволяє використовувати хвилевідні фононні моди для вивчення короткохвильової динаміки електронної підсистеми, що недоступна для вивчення методом поверхневих акустичних хвиль. В рамках моделі композитних ферміонів досліджено перенормування спектру хвилевідних мод, взаємодіючих з квантовою холовською системою. Знайдено ефект зсуву швидкості хвилевідної моди при фазових перетвореннях топологічного типу в двошаровій електронній системі в режимі дробового квантового ефекту Хола.
8. Побудована феноменологічна модель, що описує акустичні аномалії в ВТНП купратах з електронним типом провідності. Показано, що спостережені аномалії мають бути інтерпретовані як непрямий доказ існування в таких системах колективних мод електронного походження, спектр яких є акустичним і двовимірним (площинна мода). Визначено, що наявність площинної моди приводить до зниження температури Дебая. Розрахована величина температури Дебая кількісно погоджується з даними калориметричних вимірювань. Показано, що присутність площинної моди має привести до різкого зростання анізотропії фактора Дебая Валлера, виникнення додаткових піків в спектрах розсіяння нейтронів при низькосиметричних напрямках вектору розсіяння і зміни форми дифузних плям в дифракційній картині розсіяння рентгенівських променів.
9. Розвинуто підхід до опису колективних збуджень в двовимірних неоднорідних Бозе системах, що оснований на введенні операторів густини і фази. Запропоновано новий метод аналітичного розвязання власноенергетичної задачі на спектр низькочастотних колективних мод в неоднорідній Бозе системі. Метод оснований на розгляді моделі з необмеженим зростанням густини. З використанням цього метода знайдені аналітичні вирази для спектрів колективних мод для системи у зовнішньому лінійному потенціалі і потенціалі u(x)=m-u0ch2(x/l), який моделює ситуацію, коли у системі існує долина низької густини. Із порівняння аналітичних спектрів і спектрів, що обчислені числовим методом, визначена універсальна умова застосування аналітичного підходу. Показано, що аналітичний метод добре описує спектр колективних мод, локалізованих на краю системи, чи в долині низької густини. Знайдена залежність критичної швидкості надплинного потоку від параметрів зовнішнього потенціалу. Показана можливість бозе-ейнштейнівської конденсації в таких системах при ненульових температурах у випадку, коли кількість частинок є кінцевою, і відсутність Бозе конденсату в термодинамічній межі.
Список литературы
1. Fil D.V., Tokar O.I., Shelankov A.L., Weber W. Lattice-mediated interaction of Cu2 Jahn-Teller ions in insulating cuprates// Phys. Rev. B. - 1992. - Vol. 45, №10. - P.5633-5640.
2. Kolobov I.G., Fil V.D., Fil D.V., Barilo S.N., Zhigunov D.I. Possible evidence of the existence of a soundlike collective mode in Nd2-XCEXCUO4//Phys. Rev. B. - 1994. - Vol.49, №1. - P. 744-747.
3. Fil D.V., Shevchenko S.I. Collective excitations of a two-dimensional interacting Bose gas in external fields// Phys. Rev. A. - 2001. -Vol.64, №1. - Pap. № 013607(7 pages).
4. Fil D.V. On the role of electron-phonon interaction in the resistance anisotropy of two-dimensional electrons in GAAS heterostructures// J. Phys: Cond. Matt.-2001. Vol. 13, № 50, P. 11633-11639.
5. Shevchenko S.I., Fil D.V., Mamalui M.A. Existence of True Bose-Einstein Condensate in a 2D Interacting Gas in an Anti-Trap Geometry// Journal of Low Temperature Physics. - 2000. - Vol.121, №5/6. -P. 275-280.
6. Livdan D.O., Seminozhenko V.P., Sobolev V.L., Tokar O.I., Fil D.V. The spinon channel of Copper pairing in the two-band Hubbard model// Physica C. - 1989. - Vol. 161,№4. - P. 517-522.
7. Fil D.V., Tokar O.I. Oscillations of the phonon spectra due to anion-lattice coupling// Physica C. - 1994. - Vol. 230, №1/2. - P. 207-212.
8. Fil D.V., Zazunov A.L. Brillouin light scattering, X-ray diffraction and neutron scattering spectroscopy of collective soundlike plane mode in HTSC cuprates// Physica C. - 1997. - Vol. 282-287. - P.1045-1046.
9. Ливдан Д.О., Стржемечный М.А., Токарь О.И., Филь Д.В. Механизм разрушения антиферромагнетизма в двухзонной модели Хаббарда// Письма в ЖЭТФ. - 1990. - Т. 51,№9. - С. 461-464.
10. Токарь О.И., Филь Д.В. Перенормировка фононных спектров в системах с энионными возбуждениями//ФНТ. - 1993. - Т.19, №8.- С. 928-930.
11. Филь Д.В., Колобов И.Г., Филь В.Д., Барило С.Н., Жигунов Д.И. Новая колебательная мода звукового типа в монокристаллах Nd(Pr)2CUO4//ФНТ. - 1995. - Т.21, №12. - С.1225-1235.
