Электрон-фононные системы со спонтанным нарушением трансляционной симметрии (31.08.2009)

Автор: Мясникова Анна Эдуардовна

МЯСНИКОВА Анна Эдуардовна

ЭЛЕКТРОН-ФОНОННЫЕ СИСТЕМЫ СО СПОНТАННЫМ НАРУШЕНИЕМ ТРАНСЛЯЦИОННОЙ СИММЕТРИИ

01.04.07 – физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Ростов-на-Дону

Работа выполнена на кафедре общей физики ФГОУ ВПО “Южный федеральный университет” (ЮФУ).

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Мищенко А.С.

(РНЦ “Курчатовский институт”);

доктор физико-математических наук,

профессор Кирпиченков В. Я.

(Южно-Российский государственный

технический университет);

доктор физико-математических наук,

профессор Бугаев Л.А.

(Южный федеральный университет)

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт

Защита состоится 13 ноября 2009 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.05 по специальности 01.04.07 – “физика конденсированного состояния” в здании НИИ физики ЮФУ по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, просп. Стачки, 194, НИИ физики ЮФУ, ауд. 411.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ЮФУ, по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан “____ ” ___________ 2009 года

Отзывы на автореферат, заверенные подписью рецензента и печатью учреждения, просим направлять по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, просп. Стачки, 194, НИИ физики ЮФУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.208.05.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.208.05 по физико-математическим наукам,

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Гегузина Г. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Начало развитию теории поляронов положила пионерская идея Л. Д. Ландау [1] о том, что заряженная частица в однородной поляризующейся среде может локализоваться, если локализация обеспечит ей выигрыш в энергии за счет взаимодействия с поляризационным зарядом, возникшим в области ее локализации. Такое локализованное состояние носителя заряда получило название полярон большого радиуса (ПБР), так как влияние дискретности строения среды на формирование полярона не учитывалось, а рассматривался случай, когда область локализации носителя заряда в поляроне значительно больше размеров элементарной ячейки кристалла. Было показано [2], что условием существования ПБР является высокая решеточная поляризуемость кристаллов.

Таким образом, Л. Д. Ландау впервые указал на возможность спонтанного нарушения симметрии квантовой системы. Поставленная им проблема до сих пор остается предметом острых дискуссий, так как Гамильтониан системы носитель заряда плюс поляризующаяся среда коммутирует с оператором импульса. На этом основании многие авторы [2-5] полагают, что основное состояние такой системы должно описываться собственной функцией оператора импульса, однако эти функции не локализованы в пространстве. Уже по той причине, что эта проблема до сих пор не решена, исследования по физике поляронов являются актуальными. В диссертации разработаны методы, позволившие найти решение этой проблемы.

Теория поляронов большого радиуса в середине прошлого века достигла успехов в расчете энергии связи полярона, его эффективной массы и подвижности. Были также предсказаны в общих чертах частоты полос поглощения света, обусловленного фотовозбуждением и фотодиссоциацией ПБР. Однако экспериментально обнаружить предсказанные теорией свойства у каких-либо веществ долгое время не удавалось. Почти единственное исключение – демонстрация К. Торнбером и Р. Фейнманом [6] того, что гигантские потери энергии носителей заряда в оксидных покрытиях холодных катодов могут быть объяснены только свойствами поляронов.

Одной из причин расхождения теории ПБР с экспериментом является, как будет показано ниже, пренебрежение пространственной дисперсией поляризуемости кристаллической решетки при анализе движения полярона. В результате теория неверно предсказывала область температур, в которой могут существовать поляроны. С предсказанием оптических свойств систем с ПБР, которые очень важны для интерпретации спектров оптической проводимости и фотоэмиссионной спектроскопии с разрешением по углам (ARPES) сложных оксидов с сильным электрон-фононным взаимодействием, в частности – низкодопированных купратов, которые демонстрируют высокотемпературную сверхпроводимость при более высоком уровне допирования, исторически сложилась необычная ситуация. Хотя в основополагающей книге С. И. Пекара [2] предсказывался спектр поглощения, обусловленный ПБР, из двух полос, одна из которых связана с переходами носителя в возбужденное состояние в поляризационной потенциальной яме, а другая – с фотодиссоциацией ПБР, затем эти две части спектра исследовались отдельно [7-12] и даже противопоставлялись друг другу. Кроме того, приближение, использованное при расчете полосы в спектре, обусловленной фотодиссоциацией поляронов [10] (а именно – классическое описание поляризационного поля), существенно повлияло на предсказываемые форму и положение полосы. Необходимость пересмотра предсказаний экспериментально наблюдаемых свойств систем с ПБР стала особенно очевидна после открытия высокотемпературной сверхпроводимости сложных оксидов, стимулировавшего исследование свойств диэлектриков, допированных для получения носителей заряда в зоне проводимости.

Таким образом, для развития теории ПБР и ее использования при интерпретации экспериментальных данных необходимо решить вопрос, является ли система, в которой образовался ПБР, трансляционно-симметричной, или в ней происходит спонтанное нарушение трансляционной симметрии; учесть пространственную дисперсию поляризуемости кристаллической решетки при анализе движения ПБР и на основе этого пересмотреть условия существования ПБР, определить его эффективную массу, интерпретировать процессы, ответственные за эффект Торнбера-Фейнмана; рассчитать полосу в оптических спектрах, обусловленную фотодиссоциацией ПБР, при квантовом рассмотрении поляризационного поля. Решить эти задачи в настоящей работе позволило использование сравнительно молодых (по сравнению с теорией поляронов) концепции спонтанного нарушения симметрии и аппарата квантово-когерентных состояний.

Многочисленные споры и дискуссии при обсуждении проблем физики ПБР, не приводившие к согласию сторон, указывали на существование некоторого фундаментального свойства систем с сильной электрон-фононной связью, не учитывавшегося сторонами. В диссертации показано, что таким фундаментальным свойством является наличие деформации фононного вакуума в области локализации носителя заряда. Именно оно делает эффективным метод квантово-когерентных состояний фононного поля. Именно наличие деформации фононного вакуума, развивающейся в соответствии с классическими уравнениями движения, обосновывает допустимость использования модели Ландау-Пекара с классическим описанием поля поляризации. Именно ее свойства устанавливают возможность перемещения ПБР в пространстве. Именно она формирует спектры оптической проводимости и ARPES систем с ПБР. Можно сказать, что целью диссертации был поиск и исследование этого отличительного элемента систем с ПБР, а также использование его свойств для предсказания экспериментально наблюдаемых характеристик систем с ПБР.

Основными задачами работы являлись:

Ответ на вопрос, остается ли система, в которой образуется ПБР, трансляционно-инвариантной, как это предполагалось в работах [2-5], или при образовании ПБР происходит спонтанное нарушение трансляционной инвариантности системы.

Использование базиса квантово-когерентных состояний для описания состояния поля поляризации в ПБР. Разработка метода определения параметров деформации фононного вакуума в ПБР. Обоснование использования в задачах, не связанных с разрушением ПБР, классического представления и классических уравнений движения для поля поляризации.

Применение полученных параметров когерентного состояния поля поляризации в ПБР для предсказания оптических свойств систем с ПБР, обусловленных фотодиссоциацией ПБР.

Сопоставление предсказанных оптических свойств систем с ПБР (спектров оптической проводимости и ARPES) со свойствами низкодопированных сложных оксидов с сильным электрон-фононным взаимодействием (купратов [13-27], никелатов [28] и пр.).

Развитие теории ПБР при учете пространственной дисперсии фононной поляризуемости для анализа движения ПБР по кристаллу. На этой основе определение условий существования ПБР, его эффективной массы (как “энергетической”, так и компонент тензора инертной массы), условий возникновения когерентного квазичеренковского излучения волны поляризации при движении ПБР.


загрузка...