Физики изучили моттовский переход

Фото: open-dubna.ru

Физики изучили моттовский переход, принципы которого могут быть перспективны для новых направлений электроники. Международная группа исследователей, в состав которой входят учёные из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, напрямую экспериментально наблюдала моттовский переход — превращение проводника в изолятор, обусловленное межэлектронным кулоновским отталкиванием.

Понимание механизмов перехода и управление им может привести к созданию новых элементов квантовых компьютеров. Статья опубликована в Nature Materials — самом цитируемом журнале, посвящённом материаловедению (импакт-фактор около 40).

Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ, комментирует: «В данной работе впервые удалось реализовать ситуацию, позволяющую „в чистом виде“ исследовать моттовский фазовый переход металл-диэлектрик и сопоставить его детали с теоретическими предсказаниями. Благодаря особенностям молекулярной структуры, в исследованных органических металлах магнитное упорядочение среди электронов не возникает при охлаждении до самых низких температур. Так что определяющим их свойства взаимодействием остаётся кулоновское отталкивание. Полученные результаты будут полезны в понимании свойств различных электронно-коррелированных систем, включая высокотемпературные сверхпроводники».

Моттовский изолятор, или когда электроны «запираются»

Что такое электрический ток? В школе нас учили, что по проводам, подходящим к вашему ноутбуку или настольной лампе, бегут электроны — элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом, примерно равным −1,6×10^−19 Кулон. В реальности процесс токопереноса в проводниках весьма непростой. Электроны, бегущие по проводу, взаимодействуют с атомами кристаллической решетки и друг с другом: все они заряжены отрицательно, а потому должны отталкиваться (закон Кулона). Для большинства материалов кулоновским отталкиванием можно пренебречь, поскольку кулоновская энергия U, которая характеризует интенсивность взаимодействия, много меньше средней кинетической энергии электронов W, называемой ещё шириной зоны проводимости. Однако в некоторых материалах наблюдается обратное соотношение, когда кинетической энергии оказывается недостаточно, чтобы преодолеть отталкивание, и частицы «запираются» внутри кристалла, а материал становится изолятором. Впервые это явление экспериментально обнаружили в 1937 году Ян де Бур (Jan Hendrik de Boer) и Эверт Вервей (Evert Verwey), а первое теоретическое объяснение привели Невилл Мотт (Nevill Mott) и Рудольф Пайерлс (Rudolf Peierls). Сейчас изоляторы с подобным образом «запертыми» электронами называют моттовскими.

Теоретические исследования показывают , что при уменьшении энергии U моттовский изолятор постепенно превращается в проводник (так называемый моттовский переход , Mott metal-insulator transition). Есть мнение , что межзарядовые корреляции типа моттовских должны играть существенную роль в формировании электронных свойств купратов с высокотемпературной сверхпроводимостью . К сожалению, увидеть подобный переход на практике очень сложно: как правило, свойства электронов оказываются в существенной степени подверженными магнитным взаимодействиям, в результате чего происходит переход в магнитно-упорядоченную фазу, что мешает выделить эффект моттовской диэлектризации.

Многие специалисты уверены, что на основе эффекта моттовского перехода могут быть созданы электронные элементы и узлы для быстрых компьютеров. Такие элементы могли бы заменить обычные транзисторы и при этом оказаться быстрее и компактнее. Но пока учёные только начинают исследовать это явление в эксперименте.

Квантовые спиновые жидкости

Группа физиков под руководством адъюнкт-профессора МФТИ Мартина Дресселя (Martin Dressel) для изучения эффекта решила взять   вместо обычных металлов спиновые жидкости. Спиновая жидкость — магнитное состояние вещества, обусловленное «жидким» поведением частиц со спинами при низких температурах. На сегодня известно лишь несколько материалов с такими свойствами.

У электронов есть особая квантовая степень свободы — спин. Условно, спин может быть направлен «вверх» или «вниз», иметь значение −1/2 и +1/2. Кроме этих двух состояний есть ещё их суперпозиция (наложение), как будто бы спин смотрит в какую-то другую сторону.  При достаточно высоких температурах спины могут быть неупорядочены. При понижении температуры межспиновые взаимодействия обычно приводят к появлению упорядоченного состояния. Но есть материалы, спины в которых не упорядочиваются даже при сверхнизких температурах. Вместо этого они образуют коллективные запутанные состояния. Возникновение такого состояния является квантовым явлением, а само состояние называется спиновой жидкостью. Грубо говоря, спиновая жидкость — это система, в которой намагниченные частицы взаимодействуют друг с другом, однако магнитный порядок не возникает. Отсутствие магнитного порядка в спиновых жидкостях и позволяет выделить эффекты, которые связаны со взаимодействием зарядов, а не спинов электронов, а потому в них проще наблюдать фазовый переход между моттовским изолятором и проводником.

Эксперимент показал моттовский переход

Для эксперимента учёные выбрали три материала, в которых электроны находятся в состоянии спиновой жидкости. Это довольно сложные органические соединения, сокращённо обозначаемые как EtMe, AgCN и CuCN. Для экспериментов исследователи использовали методики инфракрасной и терагерцовой спектроскопии. В этих методиках на исследуемые образцы направляется пучок электромагнитного излучения и фиксируется, какая часть этого излучения отразилась от исследуемого материала или прошла сквозь его достаточно тонкий слой. При этом частота, как говорят, зондирующего электромагнитного излучения может меняться, как и температура исследуемого образца, который помещается в специальное устройство — криостат.  В таких экспериментах физики изучили зависимость поглощения (называемого ещё оптической проводимостью) электромагнитного излучения в EtMe, AgCN и CuCN от частоты. Диапазон частот при этом варьировался от 100 до 4000 обратных сантиметров (обратный сантиметр — величина, обратная длине волны излучения в сантиметрах). Из полученных зависимостей исследователи извлекали значения кинетической энергии электронов W и кулоновской энергии взаимодействия между ними U.

 

  Рисунок 1. Зависимость проводимости электронных спиновых жидкостей от частоты: EtMe (рисунок a), AgCN (рисунок b) и CuCN (рисунок c). Красная линия отвечает температуре 200 кельвинов, синяя — температуре 5 кельвинов. Во врезах — внутренняя структура соответствующих жидкостей

Полученные в эксперименте точки учёные отложили на фазовой диаграмме, т.е. на плоскости (U/W,T/W) (T — температура материала), и получили линию, которая разделяет фазы изолятора и проводника. Её называют линией Уидома (quantum Widom line). В результате физикам удалось поймать моменты превращения каждой из жидкостей в моттовский изолятор, отслеживая изменение их параметров при понижении температуры. Оказалось, что в рамках экспериментальных погрешностей экспериментально построенная линия Уидома совпадает с теоретическими предсказаниями .

 

Рисунок 2. Точки, в которых спиновые жидкости превращаются из проводников в моттовские изоляторы: данные по EtMe отмечены чёрным, данные по AgCN — красным, данные по CuCN — синим. Пунктирными линиями отмечены экспериментальные погрешности. Теоретически рассчитанная линия Уидома разделяет цветную и белую области

Таким образом, физики впервые в чистом виде экспериментально наблюдали моттовский переход. Кроме этого в CuCN вблизи границы между областями было обнаружено состояние с металлическими квантовыми флуктуациями, которое до сих пор не наблюдалось из-за магнитного порядка.

Проведённые исследования помогут в будущем в разработке электронных компонентов с новыми свойствами.

Пресс-служба МФТИ

Автор: Татьяна Небольсина

Последние новости Подмосковья по теме:
Физики изучили моттовский переход

- Долгопрудный
Международная группа исследователей, в состав которой входят учёные из лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, напрямую экспериментально наблюдала моттовский переход — превращение проводника в изолятор,
13:44 08.08.2018 МФТИ
Физики изучили моттовский переход - Дубна
Физики изучили моттовский переход, принципы которого могут быть перспективны для новых направлений электроники.
03:41 08.08.2018 OpenDubna.Ru
 
По теме
Комсомол: третья версия за сто лет - OpenDubna.Ru Столетие комсомола у одних вызывает ностальгию по советскому прошлому. Другие вспоминают в связи с юбилеем ВЛКСМ «святые» девяностые и приватизацию народного добра бывшего СССР бывшими комсомольскими лидерами.
23.10.2018
В Дубне полицейские провели акцию "Я за мир во всем мире" - OpenDubna.Ru Сотрудники ОМВД России по г.о. Дубна провели профилактическую беседу, приуроченную к международному Дню толерантности "Я за мир во всём мире" с учащимися гимназии № 6. С целью формирования устойчивой жизненной позиции,
23.10.2018
Две книги из серии «Хранимиры» со шрифтом Брайля издали для незрячих детей - Правительство Московской области Источник: Министерство экологии и природопользования Московской области В свет вышли первые две книги из серии «Хранимиры» с использованием шрифта Брайля,
22.10.2018
 
Акция «Большой этнографический диктант» пройдет в Подмосковье 2 ноября - Правительство Московской области Источник: © , пресс-служба администрации городского округа Реутов Международная просветительская акция «Большой этнографический диктант» пройдет 2 ноября на 59 площадках Московской области,
22.10.2018
 
Военно-исторические клубы Чехова совершили марш-бросок на Стремиловский рубеж - Чехов сегодня Военно-историческая акция, посвященная Дню выхода 17-й стрелковой дивизии на Стремиловский рубеж обороны г. Москвы, прошла в выходные в городском округе Чехов, сообщается на официальном сайте муниципалитета.
22.10.2018
 
Пятеро педагогов городского округа Чехов сражаются за звание «Учителя года-2019» - Чехов сегодня Сегодня стартовал профессиональный конкурс «Учитель года». Свое педагогическое мастерство будут демонстрировать пятеро ярких, энергичных и талантливых преподавателей городского округа Чехов:
22.10.2018
В МГОУ состоялся приём делегации Тайшаньского медицинского института - МГОУ 19 октября 2018 в МГОУ состоялась встреча представителей Московского государственного областного университета во главе с проректором по научной работе Певцовой Еленой Александровной и делегации Тайшаньского медицинского
23.10.2018 МГОУ
Ресурсный центр русского языка  провёл межрегиональную конференцию  «Теоретические и методологические проблемы обучения современному русскому языку» - МГОУ 20 октября 2018 года Ресурсный центр русского языка по поручению Министерства образования Московской области организовал и провёл межрегиональную конференцию «Теоретические и методологические проблемы обучения современно
23.10.2018 МГОУ
Комсомол: третья версия за сто лет - OpenDubna.Ru Столетие комсомола у одних вызывает ностальгию по советскому прошлому. Другие вспоминают в связи с юбилеем ВЛКСМ «святые» девяностые и приватизацию народного добра бывшего СССР бывшими комсомольскими лидерами.
23.10.2018 OpenDubna.Ru
Получающие пенсию по потере кормильца первокурсники должны сообщить в ПФР о своем зачислении.
22.10.2018 Серебряно-Прудский вестник
Причины агрессии - Myreutov.Ru На трагедию в Керчи сегодня посмотрели глазами старшеклассников. В реутовском лицее провели круглый стол, где обсудили причины того, что произошло 17го октября.
22.10.2018 Myreutov.Ru
Безбрежное море пшеницы - Красное знамя Вера Осиповна Шевченко (в замужестве Ефремова) родилась в 1935 году в Белоруссии.
22.10.2018 Красное знамя
Сегодня, 22 октября, Московский городской суд рассмотрит апелляционные жалобы адвокатов на арест имущества российско - украинского олигарха, подозреваемого в мошенничестве.
22.10.2018 Газета Новые Известия
Известный актер Олешко выступит на сцене Зимнего театра в Орехово Зуеве 25 октября - Орехово-Зуевская правда Сказку «Руслан и Людмила» по мотивам поэмы Александра Пушкина представят на сцене культурно-досугового центра «Зимний театр» в Орехово-Зуеве 25 октября, ритором станет артист театра и кино, телеведущий Александр Олешко,
23.10.2018 Орехово-Зуевская правда
В горокруге Шаховская отметили юбилей клуба Как рассказали журналистам газеты «Шаховские вести», Осенним днем 1968 года распахнул свои двери Холмецкий сельский клуб.
22.10.2018 Шаховские вести
20 октября в Городском центре народного творчества и досуга «Лепсе» состоялся IV Открытый фестиваль декоративно-прикладного и изобразительного творчества «Сенежский ларец».
22.10.2018 Газета Сенеж
Платных парков в Реутове не будет - Газета Реут В последнее время, в связи с введением платных парковок в Москве на улицах, прилегающих к метро Новокосино, по Реутову ходят упорные слухи о том, что и в нашем городе на улицах, проходящих рядом с метро,
22.10.2018 Газета Реут
Соперник наказал за ошибку - ХК Химик В боевом противоборстве команд все решила единственная шайба Более 47 минут армейцы с Невы не могли подобрать ключ к воротам «Химика», которые в отчетном матче защищал Павел Хомченко.
22.10.2018 ХК Химик
Соперник наказал за ошибку - Куйбышевец В боевом противоборстве команд все решила единственная шайба. «Соперник играл против нас так, как и предупреждал тренерский штаб.
23.10.2018 Куйбышевец
В последнее время, в связи с введением платных парковок в Москве на улицах, прилегающих к метро Новокосино, по Реутову ходят упорные слухи о том, что и в нашем городе на улицах, проходящих рядом с метро,
22.10.2018 Газета Реут
В Подольске подвели итоги футбольного сезона 2018 года. Подольская федерация футбола В Подольске подвели итоги футбольного сезона 2018 года, говорится в сообщении на сайте Подольской федерации футбола.
22.10.2018 Подольский рабочий
На «Доброделе» стартовало голосование за включение дворов в программу комплексного благоустройства на 2019 год - Администрация г.Люберцы На портале «Добродел» стартовало интернет-голосование жителей Подмосковья за включение дворовых территорий в программу комплексного благоустройства на 2019 год.
23.10.2018 Администрация г.Люберцы
Профилактическое мероприятие «Осенние каникулы» стартует 22 октября - Пущинская среда За 9 месяцев 2018 года на дорогах Московской области зарегистрировано 405 дорожно-транспортных происшествий с участием детей в возрасте до 16 лет, в которых 14 детей погибли и 448 получили травмы различной степени тяжести.
22.10.2018 Пущинская среда
Московское областное УФАС России рассмотрело жалобу ООО «ТехноСвар-ТМЗ» на действия МКУ «ЕСЗ ГО Красногорск» и МКУ «Красногорский центр торгов» при проведении электронного аукциона на выполнение работ по благоустройству
23.10.2018 УФАС
   С начала 2018 года на железнодорожных переездах Московской области произошло 33 дорожно-транспортных происшествия, где 40 человек получили травмы различной степени тяжести, 14 погибло.
23.10.2018 Администрация г. Домодедово