Особливості надплинності у двокомпонентних атомарних та екситонних системах - Автореферат

Підвищений останнім часом інтерес до надплинності викликаний у першу чергу успіхами у експериментальній реалізації бозе-ейнштейнівської конденсації: у 1995 році вперше спостерігалась конденсація у системі, відмінній від гелію, а саме на атомах рубідію і натрію, що утримувались в магнітній пастці. В системах, які складаються з ферміонів, також можлива бозе-ейнштейнівська конденсація, оскільки при низьких температурах ферміони можуть спарюватись і утворювати бозони. Дослідження властивостей двокомпонентної надплинності у моделі слабо неідеального бозе-газу, що описує атомарні конденсати, має велике значення для встановлення загальних закономірностей поведінки таких систем. Екситони, що утворюються у шаруватих електронних системах з просторово розділеними електронами і дірками, можуть демонструвати надплинні властивості при значно вищих температурах, ніж атомарні гази. Визначити критичні струми в таких системах і проаналізувати ефект захоплення між надструмами;У другому розділі розглянуто надплинні властивості двокомпонентного бозе-конденсату, компоненти якого рухаються з різними за модулем та напрямом швидкостями, отримано умови на критичні швидкості надтекучого руху і побудована картина стаціонарних хвиль, що генеруються у двокомпонентному бозе-ейнштейнівському конденсаті при обтіканні точкової перешкоди. Спектр елементарних збуджень отримано із системи рівнянь Гроса-Пітаєвського: де ?i - хвильові функції компонент конденсату, mi - маса частинок i-ої компоненти, ?i, ?12 - константи взаємодії між частками однієї компоненти та різних компонент, відповідно. З графічного аналізу цих нерівностей було отримано звязок між критичними швидкостями при різних кутах ? між напрямами швидкостей компонент, що показано на Рис.1. (де - швидкість звуку у компоненті і=1,2); по-друге, якщо одна з компонент знаходиться у спокої, критична швидкість другої компоненти має вигляд а) b) с) d) Області виникнення стаціонарних хвиль при різних кутах між напрямками швидкостей а) ?=0, b) ?=?/4, c) ?=?/2, d) ?=?; цифрами позначені області, де 1 - немає хвиль, 2 - виникають хвилі, що відповідають збудженню нижньої моди, 3 - виникають хвилі, що відповідають збудженню нижньої і верхньої мод, 4 - область просторового розділення компонент яка є максимальною критичною швидкістю; по-третє, якщо компоненти рухаються у взаємно перпендикулярних напрямках, критична швидкість обох компонент досягає максимального значення .У даній дисертації вирішено задачі про критичні швидкості і стаціонарні хвилі у двокомпонентному надплинному атомарному бозе-газі та про критичні параметри надплинних магнітоекситонів в двошарових та чотиришарових електронних системах. Основні результати дисертації: На основі критерію Ландау отримано умови на модулі і взаємний напрямок критичних швидкостей надплинного руху у двокомпонентному бозе-газі. З вимоги дійсності колективних мод отримано умову стабільності системи відносно просторового розділення компонент, що представляє собою обмеження на модуль відносної надтекучої швидкості. Отримано в аналітичному вигляді рівняння, що описують лінії гребенів хвиль і коливання густин компонент у хвилях, побудовано характерні картини хвиль і графіки щільності компонент. Встановлено, що стан із спонтанною міжшаровою фазовою когерентністю у двошаровій системі на основі графену в перпендикулярному шарам квантуючому магнітному полі може бути реалізований лише у присутності перпендикулярного шарам електричного поля, що створює різницю потенціалів між шарами.

2. Основний зміст роботи

У даній дисертації вирішено задачі про критичні швидкості і стаціонарні хвилі у двокомпонентному надплинному атомарному бозе-газі та про критичні параметри надплинних магнітоекситонів в двошарових та чотиришарових електронних системах. Основні результати дисертації: На основі критерію Ландау отримано умови на модулі і взаємний напрямок критичних швидкостей надплинного руху у двокомпонентному бозе-газі. З вимоги дійсності колективних мод отримано умову стабільності системи відносно просторового розділення компонент, що представляє собою обмеження на модуль відносної надтекучої швидкості.

Розвинуто кінематичний і динамічний підходи для опису стаціонарних хвиль, що виникають при протіканні двокомпонентного бозе-конденсату повз перешкоду з надкритичним швидкостями. Розглянуто загальний випадок, коли компоненти рухаються з різними за модулем і напрямом швидкостями. Встановлено, що в системі може виникнути кілька сімейств хвиль з різною довжиною хвилі і амплітудою коливань густини в них. Отримано в аналітичному вигляді рівняння, що описують лінії гребенів хвиль і коливання густин компонент у хвилях, побудовано характерні картини хвиль і графіки щільності компонент.

Встановлено, що стан із спонтанною міжшаровою фазовою когерентністю у двошаровій системі на основі графену в перпендикулярному шарам квантуючому магнітному полі може бути реалізований лише у присутності перпендикулярного шарам електричного поля, що створює різницю потенціалів між шарами. Отримано діапазон значень зовнішньої різниці потенціалів, в якому виникають необхідні для стану з міжшаровою фазовою когерентністю фактори заповнення шарів.

Отримано спектр колективних мод у надплинному газі магнітоекситонів в двошаровій системі на основі графену. Розглянуто випадок ненульового розбалансу факторів заповнення шарів і довільного напрямку надплинного струму відносно хвильового вектора. Знайдені критична міжшарова відстань як функція розбалансу факторів заповнення та критичний струм в залежності від міжшарової відстані і розбалансу. Знайдено рівняння для температури переходу магнітоекситонів у надплинний стан, що узагальнює формулу Костерліца-Таулеса на випадок магнітоекситонної надплинної системи. Знайдено залежність температури від міжшарової відстані.

Отримано дисперсійне рівняння для спектра колективних мод у двокомпонентному газі магнітоекситонів, що утворюється у чотиришаровій електронній системі в перпендикулярному шарам магнітному полі. На основі критерію Ландау знайдено співвідношення між критичними струмами компонент. Показано, що поведінка критичних струмів аналогічна поведінці критичних швидкостей у двокомпонентному атомарному бозе-газі.

Встановлено, що у двокомпонентному магнітоекситонному газі у чотиришаровій системі має місце ефект захоплення між надструмами і в аналітичному вигляді отримано фактор захоплення. Встановлено, що ефект захоплення між надструмами має специфічні особливості: ефект виникає лише при ненульовому розбалансі факторів заповнення в обох парах шарів; при зміні знаку розбалансу факторів заповнення в одній парі шарів, фактор захоплення також змінює знак; фактор захопленнят значно зростає при наближенні параметрів системи до критичних і досягає значення на кілька порядків вищого, ніж в атомарній системі.

1. Кравченко Л.Ю. Критические скорости в двухкомпонентных сверхтекучих бозе-системах / Л.Ю. Кравченко, Д.В. Филь // ФНТ - 2007. - Т. 33, № 12. - С. 1347-1352.

2. Kravchenko L.Yu. Critical velocities in two-component superfluid Bose gases / L.Yu. Kravchenko, D.V. Fil // J. Low Temp. Phys. - 2008. - V. 150. - P. 612-617.

3. Kravchenko L.Yu. Stationary waves in a supersonic flow of a two-component Bose gas / L.Yu. Kravchenko, D.V. Fil // J. Low Temp. Phys. - 2009. - V. 155. - P. 219-234.

4. Kravchenko L.Yu. Critical currents and giant nondissipative drag for superfluid electron-hole pairs in quantum Hall multilayers / L.Yu. Kravchenko, D.V. Fil // J. Phys.: Condens. Matter - 2008. - V. 20, №32. - P. 325235-1 - 325235-9.

5. Филь Д.В. Сверхпроводимость электрон-дырочных пар в двухслойной графеновой системе в квантующем магнитном поле / Д.В. Филь, Л.Ю. Кравченко // ФНТ - 2009. - Т. 35, № 8/9. - С. 904-918.

6. Fil D.V. Superfluid state of magnetoexcitons in double layer graphene structures, / D.V. Fil, L.Yu. Kravchenko // Statistical physics: modern trends and applications. AIP Conference Proceedings- 2009. - V.1198. - P. 34-41.

7. Кравченко Л.Ю. О применении критерия Ландау к двухкомпонентным сверхтекучим бозе-системам / Л.Ю. Кравченко, Д.В. Филь // Конференція молодих учених «Фізика низьких температур» (КМУ-ФНТ-2007), 5-7 червня 2007 р.: тези доп. - Харків - с. 41.

8. Kravchenko L.Yu. Critical currents for superconducting electron-hole pairs in multilayer semiconductor heterostructures / L.Yu. Kravchenko, D.V. Fil // Intenational conference “Crystal materials” (ICCM’2007), 17-20 september 2007: book of abstracts - Kharkov. - 2007. - p. 55.

9. Кравченко Л.Ю. Критические токи и эффект увлечения сверхтекучих электрон-дырочных пар в многослойных полупроводниковых гетероструктурах / Л.Ю. Кравченко, Д.В. Филь // 1-а всеукраїнська наукова конференція молодих вчених «Фізика низьких температур» (КМУ-ФНТ-2008), 20-23 червня 2008р.: тези доп. - Харків. - 2008. - с. 52.

10. Кравченко Л.Ю. Критические скорости и стационарные волны в двухкомпонентной сверхтекучей системе / Л.Ю. Кравченко, Д.В. Филь // 2-а Всеукраинская научная конференция молодых ученых "Физика низких температур" (КМУ-ФНТ-2009), 1-5 червня 2009 р.: тези доп. - Харків. - 2009. - с. 135.

11. Kravchenko L.Yu. Critical velocities and stationary waves in a two-component supersonic superfluid / L.Yu. Kravchenko, D.V.Fil // The 3-rd Conference “Statistical Physics: Modern Trends and Applications”, 23-25 June 2009.: the book of abstracts - Lviv. 2009. - p. 179.

12. Fil D.V. Superfluid state of magnetoexitons in double layer graphene structures/ D.V. Fil, L.Yu. Kravchenko // The 3-rd Conference “Statistical Physics: Modern Trends and Applications”, 23-25 June 2009: book of abstract - Lviv. 2009. - p. 103.

13. Fil D.V. Superfluid magnetoexcitons in a double-layer graphene system / D.V. Fil, L. Yu. Kravchenko // Modern Problems of Theoretical and Mathematical Physics, 15-18 September 2009: book of abstracts - Kyiv. - 2009. - p. 111.

14. Kravchenko L.Yu. Stationary waves in a two-component superfluid moving with overcritical velocities / L.Yu. Kravchenko, D.V. Fil // The 5th International Conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems, May 21-23, 2010: book of abstracts - Kyiv. - 2010. - p. 338.

15. Пикалов А.А. Сверхтекучесть магнитоэкситонов в системе двух графеновых слоев / А.А. Пикалов, Л.Ю. Кравченко, Д.В. Филь // XIV Национальная конференция по росту кристаллов, 6-10 декабря 2010 г.: тезисы докладов, том II - Москва. - 2010. - с. 241.

16. Лифшиц Е.М. Статистическая физика, ч.2: Теория конденсированого состояния / Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский - М:.Наука, 1978 - 448 с.

17. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны / Дж. Уизем - М.: Мир, 1977. - 624 c.

18. Abolfath M. Critical Currents of Ideal Quantum Hall Superfluids / M. Abolfath, A.H. MACDONALD, L. Radzihovsky // Phys. Rev. B - 2003 - V. 68 - P. 155318(18).

19. Su, Jung-Jung How to make a bilayer exciton condensate flow / Su, Jung-Jung; MACDONALD, A.H. // Nature Physics - 2008. - V. 4. - P. 799-802.

20. Андреев А.Ф. Трехскоростная гидродинамика сверхтекучих растворов / А.Ф. Андреев, Е.П. Башкин // ЖЭТФ - 1975. - Т. 69. - С. 319-326.

Размещено на .ru