Псевдощель

Состояние, при котором поверхность Ферми имеет частичную энергетическую щель в физике конденсированного состояния
Фазовая диаграмма для легированного купратного сверхпроводника, показывающая фазу псевдощели

В физике конденсированного состояния псевдощель описывает состояние, при котором поверхность Ферми материала имеет частичную энергетическую щель , например, состояние зонной структуры , при котором поверхность Ферми имеет щель только в определенных точках. [1]

Термин псевдощель был введен Невиллом Моттом в 1968 году для обозначения минимума плотности состояний на уровне Ферми , N ( EF ), возникающего в результате кулоновского отталкивания между электронами в одном атоме, запрещенной зоны в неупорядоченном материале или комбинации этих факторов. [2]

В современном контексте псевдощель — это термин из области высокотемпературной сверхпроводимости , который относится к диапазону энергий (обычно вблизи уровня Ферми ), с которым связано очень мало состояний. Это очень похоже на истинную «щель», которая представляет собой диапазон энергий, не содержащий разрешенных состояний. Такие щели открываются, например, при взаимодействии электронов с решеткой. Явление псевдощели наблюдается в области фазовой диаграммы, характерной для купратных высокотемпературных сверхпроводников, существующей в недолегированных образцах при температурах выше температуры сверхпроводящего перехода.

Только определенные электроны «видят» эту щель. Щель, которая должна быть связана с изолирующим состоянием, существует только для электронов, движущихся параллельно связям медь-кислород. [3] Электроны, движущиеся под углом 45° к этой связи, могут свободно перемещаться по всему кристаллу. Таким образом, поверхность Ферми состоит из дуг Ферми, образующих карманы с центром в углу зоны Бриллюэна . В фазе псевдощели эти дуги постепенно исчезают по мере понижения температуры, пока не останутся только четыре точки на диагоналях зоны Бриллюэна, не занятые щелью.

С одной стороны, это может указывать на совершенно новую электронную фазу, которая потребляет доступные состояния, оставляя только несколько для объединения в пары и сверхпроводимости. С другой стороны, сходство между этой частичной щелью и сверхпроводящим состоянием может указывать на то, что псевдощель является результатом предварительно сформированных куперовских пар .

Недавно псевдощелевое состояние было также обнаружено в сильно разупорядоченных обычных сверхпроводниках, таких как TiN , [4] NbN , [5] или гранулированный алюминий. [6]

Экспериментальные доказательства

Псевдощель можно увидеть несколькими различными экспериментальными методами. Одно из первых наблюдений было сделано в измерениях ЯМР YBa 2 Cu 3 O 6+ x Х. Аллулом и др. [7] и в измерениях удельной теплоемкости Лорамом и др. [8]. Псевдощель также очевидна в данных ARPES (фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением) и STM ( сканирующий туннельный микроскоп ), которые могут измерять плотность состояний электронов в материале.

Механизм

Происхождение псевдощели является спорным и все еще является предметом дебатов в сообществе конденсированных сред. Возникают две основные интерпретации:

1. Сценарий предварительно сформированных пар В этом сценарии электроны образуют пары при температуре T* , которая может быть намного больше критической температуры Tc , при которой возникает сверхпроводимость. Значения T* порядка 300 К были измерены в недопированных купратах, где Tc составляет около 80 К.

Сверхпроводимость не появляется при T*, поскольку большие фазовые флуктуации поля спаривания не могут упорядочиваться при этой температуре. [9] Псевдощель затем создается некогерентными флуктуациями поля спаривания. [10] Псевдощель является нормальным состоянием-предшественником сверхпроводящей щели из-за локальных динамических корреляций спаривания. [11] Эта точка зрения поддерживается количественным подходом модели притягивающего спаривания к экспериментам по удельной теплоте. [12]

2. Сценарий псевдощели, не связанной со сверхпроводимостью. В этом классе сценариев было выдвинуто много различных возможных причин, таких как образование электронных полос , антиферромагнитное упорядочение или другие экзотические параметры порядка, конкурирующие со сверхпроводимостью.

Ссылки

  1. ^ Тимуск, Том; Брайан Статт (1999). «Псевдощель в высокотемпературных сверхпроводниках: экспериментальный обзор». Reports on Progress in Physics . 62 (1): 61– 122. arXiv : cond-mat/9905219 . Bibcode :1999RPPh...62...61T. doi :10.1088/0034-4885/62/1/002. S2CID  17302108.
  2. ^ NF Mott (1968). «Переход металл-изолятор». Reviews of Modern Physics . 40 (4): 677– 683. Bibcode :1968RvMP...40..677M. CiteSeerX 10.1.1.559.1764 . doi :10.1103/RevModPhys.40.677. 
  3. ^ Маннелла, Н.; и др. (2005). «Узловая квазичастица в колоссальных магниторезистивных манганитах с псевдощелями». Природа . 438 (7067): 474–478 . arXiv : cond-mat/0510423 . Бибкод : 2005Natur.438..474M. дои : 10.1038/nature04273. PMID  16306987. S2CID  4405340.
  4. ^ Бенджамин Сасепе; Клод Шапелье; Татьяна И. Батурина; Валерий М. Винокур; Михаил Р. Бакланов; Марк Санкер (2010). «Псевдощель в тонкой пленке обычного сверхпроводника». Nature Communications . 1 (9): 140. arXiv : 0906.1193 . doi :10.1038/ncomms1140. PMID  21266990. S2CID  6781010.
  5. ^ Минту Мондал; Ананд Камлапуре; Мадхави Чанд; Гарима Сарасват; Санджив Кумар; Джон Джесудасан; Л. Бенфатто; Викрам Трипати; Пратап Райчаудхури (2011). «Фазовые флуктуации в сильно разупорядоченном сверхпроводнике NbN s-типа вблизи перехода металл-изолятор». Physical Review Letters . 106 (4): 047001. arXiv : 1006.4143 . Bibcode :2011PhRvL.106d7001M. doi :10.1103/PhysRevLett.106.047001. PMID  21405347. S2CID  1584672.
  6. ^ Уве С. Прахт; Нимрод Бачар; Лара Бенфатто; Гай Дойчер; Эли Фарбер; Мартин Дрессель; Марк Шеффлер (2016). «Улучшенное куперовское спаривание против подавленной фазовой когерентности, формирующее сверхпроводящий купол в связанных алюминиевых нанозернах». Physical Review B. 93 ( 10): 100503(R). arXiv : 1508.04270 . Bibcode : 2016PhRvB..93j0503P. doi : 10.1103/PhysRevB.93.100503. S2CID  122749546.
  7. ^ Alloul, H.; Ohno, T.; Mendels, P. (16 октября 1989 г.). " 89 Y ЯМР-доказательство ферми-жидкостного поведения в YBa 2 Cu 3 O 6+ x ". Physical Review Letters . 63 (16): 1700– 1703. Bibcode :1989PhRvL..63.1700A. doi :10.1103/PhysRevLett.63.1700. PMID  10040648.
  8. ^ JW Loram; KA Mirza; JR Cooper & WY Liang (1993). "Электронная удельная теплоемкость YBa 2 Cu 3 O 6+ x от 1,8 до 300 К". Physical Review Letters . 71 (11): 1740– 1743. Bibcode :1993PhRvL..71.1740L. doi :10.1103/PhysRevLett.71.1740. PMID  10054486.
  9. ^ VJ Emery; SA Kivelson (1995). "Важность фазовых флуктуаций в сверхпроводниках с малой сверхтекучей плотностью". Nature . 374 (6521): 434– 437. Bibcode :1995Natur.374..434E. doi :10.1038/374434a0. S2CID  4253557.
  10. ^ Марсель Франц (2007). «Сверхпроводимость: важность флуктуаций». Nature Physics . 3 (10): 686– 687. Bibcode : 2007NatPh...3..686F. doi : 10.1038/nphys739.
  11. ^ Randeria, Mohit & Trivedi, Nandini (1998). "Pairing Correlations above Tc and pseudogaps in underdoped cuprates". Журнал физики и химии твердых тел . 59 ( 10– 12): 1754– 1758. Bibcode :1998JPCS...59.1754R. doi :10.1016/s0022-3697(98)00099-7.
  12. ^ Филипп Керти и Ганс Бек (2003). "Термодинамика и фазовая диаграмма высокотемпературных сверхпроводников". Physical Review Letters . 91 (25): 257002. arXiv : cond-mat/0401124 . Bibcode : 2003PhRvL..91y7002C. doi : 10.1103/PhysRevLett.91.257002. PMID  14754139. S2CID  35179519.
  • Псевдощель в высокотемпературных сверхпроводниках: экспериментальный обзор (обзорная статья) (1999)
  • Фазовые флуктуации и явления псевдощели
  • псевдощель в несверхпроводящих материалах
  • Таинственная псевдощель в высокотемпературной сверхпроводимости, инфракрасный вид (2003)
  • Псевдощель: друг или враг высокого Tc? (Обзор) (2005)
  • Энергетические щели в купратных сверхпроводниках с высокой температурой перехода (Обзор) (2014)
  • Псевдощель из эксперимента ARPES: три щели в купратах и ​​топологическая сверхпроводимость (Обзор) (2015)
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Pseudogap&oldid=1195138506"