Псевдощель в физике конденсированного состояния: свойства и интерпретации.
Pseudogap
Псевдоразрыв в физике конденсированного состояния: частичный энергетический зазор на поверхности Ферми. Причины, связь с высокотемпературной сверхпроводимостью.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Состояние, при котором поверхность Ферми имеет частичный энергетический разрыв в физике конденсированного состояния.
State at which a Fermi surface has a partial energy gap in condensed matter physics
В физике конденсированного состояния псевдоразрыв описывает состояние, в котором поверхность Ферми материала обладает частичным энергетическим разрывом, например, состояние зонной структуры, при котором поверхность Ферми имеет разрыв только в определенных точках. Термин «псевдоразрыв» был введен Невиллом Мотом в 1968 году для обозначения минимума плотности состояний на уровне Ферми, N(E<sub>F</sub>), возникающего из-за кулоновского отталкивания между электронами в одном и том же атоме, энергетического разрыва в неупорядоченном материале или их комбинации. В современном контексте псевдоразрыв – это термин из области высокотемпературной сверхпроводимости, который относится к энергетическому диапазону (обычно вблизи уровня Ферми), с которым связано очень мало состояний. Это очень похоже на настоящий «разрыв», который представляет собой энергетический диапазон, не содержащий разрешенных состояний. Такие разрывы возникают, например, при взаимодействии электронов с кристаллической решеткой. Феномен псевдоразрыва наблюдается в области фазовой диаграммы, характерной для купратных высокотемпературных сверхпроводников, существующей в недостаточно легированных образцах при температурах выше температуры сверхпроводящего перехода. Только определенные электроны «видят» этот разрыв. Разрыв, который должен быть связан с изолирующим состоянием, существует только для электронов, движущихся параллельно медно-кислородным связям. Электроны, движущиеся под углом 45° к этой связи, могут свободно перемещаться по всему кристаллу. Таким образом, поверхность Ферми состоит из фермиевских дуг, формирующих карманы, центрированные на углах зоны Бриллюэна. В фазе псевдоразрыва эти дуги постепенно исчезают при понижении температуры, пока не останутся незатронутыми только четыре точки на диагоналях зоны Бриллюэна. С одной стороны, это может указывать на совершенно новую электронную фазу, которая поглощает доступные состояния, оставляя лишь немногие для образования пар и сверхпроводимости. С другой стороны, сходство между этим частичным разрывом и разрывом в сверхпроводящем состоянии может указывать на то, что псевдоразрыв является результатом предварительно сформированных куперовских пар. Недавно о состоянии псевдоразрыва также сообщалось в сильно дефектных обычных сверхпроводниках, таких как TiN, NbN или гранулированный алюминий.
In condensed matter physics, a pseudogap describes a state where the Fermi surface of a material possesses a partial energy gap, for example, a band structure state where the Fermi surface is gapped only at certain points. The term pseudogap was coined by Nevill Mott in 1968 to indicate a minimum in the density of states at the Fermi level, N(EF), resulting from Coulomb repulsion between electrons in the same atom, a band gap in a disordered material or a combination of these. In the modern context pseudogap is a term from the field of high temperature superconductivity which refers to an energy range (normally near the Fermi level) which has very few states associated with it. This is very similar to a true 'gap', which is an energy range that contains no allowed states. Such gaps open up, for example, when electrons interact with the lattice. The pseudogap phenomenon is observed in a region of the phase diagram generic to cuprate high temperature superconductors, existing in underdoped specimens at temperatures above the superconducting transition temperature. Only certain electrons 'see' this gap. The gap, which should be associated with an insulating state, only exists for electrons traveling parallel to the copper oxygen bonds. Electrons traveling at 45° to this bond can move freely throughout the crystal. The Fermi surface therefore consists of Fermi arcs forming pockets centered on the corner of the Brillouin zone. In the pseudogap phase these arcs gradually disappear as the temperature is lowered until only four points on the diagonals of the Brillouin zone remain ungapped. On one hand, this could indicate a completely new electronic phase which consumes available states, leaving only a few to pair up and superconduct. On the other hand, the similarity between this partial gap and that in the superconducting state could indicate that the pseudogap results from preformed Cooper pairs. Recently a pseudogap state has also been reported in strongly disordered conventional superconductors such as TiN, NbN, or granular aluminum.
Экспериментальные данные
Псевдоразрыв можно наблюдать с помощью различных экспериментальных методов. Одним из первых наблюдений стало выявление псевдоразрыва в измерениях ЯМР (Ядерного магнитного резонанса) YBa2Cu3O6+x группой H. Alloul и в измерениях удельной теплоемкости, проведенных группой Loram. Псевдоразрыв также проявляется в данных, полученных методами ARPES (спектроскопия фотоэмиссии с угловым разрешением) и STM (сканирующий туннельный микроскоп), которые позволяют измерять плотность электронных состояний в материале.
A pseudogap can be seen with several different experimental methods. One of the first observations was in NMR measurements of YBa2Cu3O6+x by H. Alloul et al. and by specific heat measurements by Loram et al. The pseudogap is also apparent in ARPES (Angle Resolved Photoemission Spectroscopy) and STM (Scanning tunneling microscope) data, which can measure the density of states of the electrons in a material.
Механизм
Происхождение псевдоразрыва остаётся спорным и до сих пор является предметом дискуссий в сообществе физики конденсированного состояния. Вырисовываются два основных объяснения:
The origin of the pseudogap is controversial and still subject to debate in the condensed matter community. Two main interpretations are emerging:
1. Сценарий предварительно сформированных пар
В рамках этого сценария электроны образуют пары при температуре T*, которая может быть значительно выше критической температуры Tc, при которой возникает сверхпроводимость. Значения T* порядка 300 K были измерены в недостаточно легированных купратах, где Tc составляет около 80 K.
1. The scenario of preformed pairs
In this scenario, electrons form pairs at a temperature T* that can be much larger than the critical temperature Tc where superconductivity appears. Values of T* of the order of 300 K have been measured in underdoped cuprates where Tc is about 80 K.
Сверхпроводимость не возникает при T* из-за того, что большие фазовые флуктуации поля спаривания не могут упорядочиться при этой температуре. Псевдоразрыв, таким образом, возникает вследствие некогерентных флуктуаций поля спаривания. Псевдоразрыв является предшественником сверхпроводящего разрыва в нормальном состоянии, обусловленным локальными, динамическими корреляциями спаривания. Эта точка зрения подкрепляется количественным анализом модели притягательного спаривания применительно к экспериментам по удельной теплоёмкости. 2. Сценарий псевдоразрыва, не связанного со сверхпроводимостью
В этом классе сценариев было предложено множество различных возможных причин его возникновения, таких как формирование электронных полос, антиферромагнитное упорядочение или другие экзотические параметры порядка, конкурирующие со сверхпроводимостью.
The superconductivity does not appear at T* because large phase fluctuations of the pairing field cannot order at this temperature. The pseudogap is then produced by incoherent fluctuations of the pairing field. The pseudogap is a normal state precursor of the superconducting gap due to local, dynamic pairing correlations. This point of view is supported by a quantitative approach of the attractive pairing model to specific heat experiments. 2. The scenario of a non superconductivity related pseudogap
In this class of scenarios, many different possible origins have been put forward, such as the formation of electronic stripes, antiferromagnetic ordering, or other exotic order parameters competing with superconductivity.