전하밀도파

Charge density wave

전하 밀도파(CDW)는 선형 체인 화합물이나 레이어드 결정에서 순서가 정해진 전자 양자 유체다. CDW 내의 전자는 서 있는 파동 패턴을 형성하고 때로는 집단적으로 전류를 전달한다. 그러한 CDW의 전자는 초전도체에서의 전자와 마찬가지로, 고도로 상관관계가 있는 방식으로 일제히 선형 체인 화합물을 통해 흐를 수 있다. 그러나 초전도체와 달리, 전기 CDW 전류는 정전기적 특성 때문에 수도꼭지에서 물이 떨어지는 것처럼 육포처럼 흐르곤 한다. CDW에서 (불순물로 인한) 핀팅과 정전기 상호작용(CDW 꼬임 순전하로 인한)의 결합 효과는 아래 제4절과 5절에서 설명한 바와 같이 CDW 전류 저키 동작에 중요한 역할을 할 가능성이 있다.

금속 결정으로 된 대부분의 CDW는 전자의 파동 같은 특성(양자 기계적 파동 입자 이중성의 발현)으로 인해 전자 전하 밀도가 공간적으로 변조되어, 즉, 전하를 담당하는 주기적인 "범프"를 형성하게 된다. 이 입상파는 각각의 전자파 기능에 영향을 미치며, 반대 순간의 전자 상태 또는 파장 기능을 결합하여 생성된다. 그 효과는 기타 줄의 스탠딩 파동과 다소 유사하며, 이는 두 개의 간섭파가 반대 방향으로 이동하는 것을 조합한 것으로 볼 수 있다(파장 전파 참조).

전자 충전 시 CDW는 원자 격자의 주기적 왜곡(본질적으로 초박막)을 동반한다.[1][2][3] 금속 결정체는 얇은 반짝거리는 리본(예: 준1-D NbSe3 결정)이나 반짝이는 평면 시트(예: 준2-D, 1T-TaS2 결정)처럼 보인다. CDW의 존재는 1930년대에 루돌프 페얼스에 의해 처음 예측되었다. 그는 1-D 금속이 원래 페르미 에너지 E에F 비해 ±k로F 채워진 전자 상태의 에너지를 감소시키는 페르미 파동 벡터 ±k에서F 에너지 갭 형성에 불안정할 것이라고 주장했다.[4] 이러한 간극이 형성되는 아래의 온도(Peierls 전환 온도, T)는 Peierls 전환 온도(TP)로 알려져 있다.

전자 스핀은 공간적으로 변조되어 스핀 밀도 파동(SDW)에서 서 있는 스핀파를 형성한다. SDW는 스핀업 및 스핀다운 서브밴드용 두 개의 CDW로 볼 수 있으며, 충전변조는 180° 위상 이탈이다.

프롤리히 초전도성 모델

1954년, 허버트 Fröhlich에 ±kF에서 에너지 간격이 전자와 wavevector Q=2kF의 phonons 사이의 상호 작용의 결과로 전이 온도 아래를 형성하지 않은 미세한 theory,[5]을 제안했다.높은 온도에서 전도는 열이 페르미 온도 상당히 평평한 시트에 수직으로로 구성된quasi-1-D 지휘자에 금속이다. ±k의F 체인 방향 페르미 표면 근처의 전자는 '둥지'파수 Q = 2k의F 음소와 강하게 결합한다. 따라서 2kF 모드는 전자-폰 상호작용의 결과로 부드러워진다.[6] 2kF 포논 모드 주파수는 온도가 감소함에 따라 감소하고, 마침내 Peierls 전환 온도에서 0으로 간다. 음핵은 보손이기 때문에 이 모드는 저온에서 거시적으로 점유하게 되며, 정적인 주기 격자 왜곡으로 나타난다. 동시에 전자 CDW가 형성되고, Peierls 갭은 ±k에서F 벌어진다. Peierls 전환 온도 이하에서는 완전한 Peierls 갭이 정상 비분해 전자로 인해 전도도에서 열적으로 활성화된 동작으로 이어진다.

그러나 파장과 기본 원자 격자, 즉 CDW 파장이 격자 상수의 정수 배수가 아닌 CDW는 충전 변조 in0 + ρcos1[2kxF – φ]에서 선호하는 위치 또는 위상 φ이 없을 것이다. 따라서 Fröhlich는 CDW가 움직일 수 있고, 더욱이 Peierls 갭이 전체 페르미 바다와 함께 운동 공간에서 이동되어 dd/dt에 비례하는 전류로 이어질 것을 제안했다. 그러나 후속 절에서 논의한 바와 같이 불순물 CDW도 자유롭게 움직일 수 없고 불순물에 의해 고정된다. 더욱이, 정상 운반체와의 상호작용은 초전도체와는 달리 방산 수송으로 이어진다.

준2D 레이어드 소재의 CDW

레이어드 전이 금속 디칼코제니드를 포함한 여러 개의 준2-D 시스템은 준2-D CDW를 형성하기 위해 Peierls 전환을 거친다.[7] 이러한 결과는 여러 개의 내포파 벡터가 페르미 표면의 서로 다른 평평한 영역을 결합하여 발생한다.[8] 충전 변조는 육각 대칭의 벌집형 격자 또는 체커보드 패턴을 형성할 수 있다. CDW에 동반되는 주기적인 격자 변위는 극저온 전자 현미경을 사용하여 1T-TaS에서2 직접 관찰되었다.[9] 2012년에는 YBCO와 같은 레이어드 컵레이트 고온 초전도체에 대해 경쟁적이고 초기 CDW 단계에 대한 증거가 보고되었다.[10][11][12]

선형 체인 화합물에서의 CDW 전송

준1-D 도체에 대한 초기 연구는 1964년 특정 유형의 폴리머 체인 화합물이 높은 임계 온도 T의c 초전도성을 나타낼 수 있다는 제안에 의해 동기 부여되었다.[13] 이 이론은 초전도성의 BCS 이론에서 전자의 결합은 어떤 쪽 사슬의 비전도성 전자와 하나의 사슬에서 전도성 전자의 상호작용으로 매개될 수 있다는 생각에 근거했다. ( 대조적으로, 전자 페어링은 기존의 초전도체의 BCS 이론에서 음소나 진동 이온에 의해 매개된다.) 무거운 이온 대신 가벼운 전자가 쿠퍼 쌍의 형성을 이끌기 때문에, 그들의 고유 주파수와, 따라서 에너지 스케일과 T가c 향상될 것이다. TTF-TCNQ와 같은 유기 물질은 1970년대에 이론적으로 측정되고 연구되었다.[14] 이 물질들은 초전도체가 아닌 금속 절연체 전환 과정을 거치는 것으로 밝혀졌다. 그러한 실험이 피에를스 전환의 첫 번째 관찰을 나타낸다는 것이 결국 확립되었다.

전환 금속 트리칼코제네이드와 같은 무기질 선형 체인 화합물에서 CDW 수송에 대한 첫 번째 증거는 1976년 NbSe의3 증가된 전기장에서 강화된 전기 전도성을 관찰한 [15]몬소 외 연구진에 의해 보고되었다. 전기 전도도 σ vs 필드 E에 대한 비선형 기여는 란다우-제너 터널링 특성 ~ exp[-E0/E]에 적합했지만(Landau-제너 공식 참조), 특성 제너 필드0 E가 페얼스 갭을 가로지르는 일반 전자의 제너 터널링을 나타내기에는 너무 작다는 것을 곧 깨달았다. 후속 실험에서는[16] CDW 전류에 따라 기본 주파수가 스케일링되는 노이즈 스펙트럼(좁은 밴드 노이즈)의 피크뿐만 아니라 날카로운 임계 전기장을 보여주었다. 이러한 실험과 다른 실험(예:[17] CDW)을 통해 CDW가 임계 영역 위로 육포식으로 전류를 운반한다는 것을 확인할 수 있다.

CDW 디피닝의 클래식 모델

CDW 전송을 나타내는 선형 체인 화합물들은 (즉, 격자 상수의 정수 배수가 아닌) CDW 파장 λcdw = π/kF incommensurate를 가지고 있다. 이러한 소재에서 핀링은 φ에 관해서 CDW의 번역 대칭을 깨는 불순물 때문이다.[18] 가장 단순한 모델은 핀팅을 u(φ) = u0[1 – cosφ] 형식의 사인-고든 전위로 취급하는 반면, 전기장은 상이 고전적 디핀닝장 위의 장벽 위로 미끄러질 수 있을 때까지 주기적인 핀링 전위를 기울인다. 과대용 오실레이터 모델로 알려진 이 그림은 진동(ac) 전기장에 대한 감쇠된 CDW 응답을 모델링하므로 CDW 전류가 임계값을 초과하는 협대역 노이즈의 스케일링을 설명한다.[19]

그러나 불순물이 결정 전체에 랜덤하게 분포하기 때문에, 보다 사실적인 그림은 위치가 있는 최적의 CDW 위상 φ의 변화를 허용해야 한다. 기본적으로 순서가 뒤바뀐 사인 고든 그림이다. 이는 CDW가 φ의 공간 구배와 피닝 에너지로 인한 탄성 변형 에너지를 모두 최적화해 총 에너지를 최소화하는 후쿠야마-리-리스(FLR) 모델에서 이루어진다.[20][21] 는 전방 감시 레이더에서 벗어나다 두명 제한 전자 수가 같은 불순물 일반적으로부터 최적의 단계마다 불순물이 충분히 CDW 위상과 depinning 분야 규모 밝히기 n. 선형과 강하다ni2(ni고 있는 불순물 농도)과 강한 고정, 많은 불순물과 depinning 분야 비늘에 걸쳐 퍼져 있고 약한 고정되i 이 테마의 다양성에는 불순물의 무작위 분포(랜덤 핀링 모델)를 포함하는 수치 시뮬레이션이 포함된다.[22]

CDW 전송의 양자 모델

초기 양자 모델에는 마키에[23] 의한 솔리톤 쌍 생성 모델과 페얼스 간격과 달리 ±k로F 고정된 [24]작은 피닝 간격을 통해 CDW 전자 터널을 일관성 있게 응축한 존 바딘의 제안이 포함되었다. 마키의 이론은 날카로운 문턱장이 부족했고 바르딘은 문턱 영역에 대한 현상학적 해석만 할 뿐이었다.[25] 그러나 Krive와 Rozhavsky의[26] 1985년 논문은 핵 용해제와 전하 ±q의 항이솔리톤은 q/mc에 비례하는 내부 전기장 E*를 발생시킨다고 지적했다. 정전기(1/2)ε[E ± E*]2는 에너지 절약을 위반하지 않고 적용 필드 E가 임계값 ET = E*/2 미만인 경우 솔리톤 터널링을 방지한다. 이 쿨롱 봉쇄 문턱값은 고전적인 탈색장보다 훨씬 작을 수 있지만, CDW의 편광성과 유전체 반응 ε 핀 강도에 따라 반비례하기 때문에 불순물 농도로 동일한 스케일링을 보여준다.[27]

이 그림 위에 시간 상관식 솔리톤 터널링에 관한 2000개의 기사와 함께,[28] 더 최근의 양자[29][30][31] 모델은 많은 병렬 체인에서 핵분해된 솔리톤 탈구와 관련된 복잡한 순서 매개변수들 사이에서 조셉슨과 같은 결합(조셉슨 효과 참조)을 제안한다. 리차드 파인만에 이어 파인만 물리학 강의, Vol. III, 21장, 그들의 시간 진화는 슈뢰딩거 방정식을 새로운 고전 방정식으로 사용하여 설명된다. 협대역 소음 및 관련 현상은 정전기 충전 에너지의 주기적 축적으로 발생하므로 워시보드 핀링 전위의 상세 형태에 의존하지 않는다. 이 모델에서는 CDW를 필립 워렌 앤더슨이 논의한 개념인 끈적끈적한 양자 유체 또는 탈구를 가진 변형 가능한 양자 고체로 보는 솔리톤 쌍 생성 임계값과 보다 높은 고전적 디피닝 필드가 모두 등장한다.[32]

아하로노프-봄 양자 간섭 효과

CDW에서 Aharonov-Bohm 효과와 관련된 현상에 대한 첫 번째 증거는 CDW([33]정상 전자가 아님)에서3 주기 h/2e의 진동 대 NbSe의 주상 결함을 통한 자기속도를 보여주는 실험을 기술한 1997년 논문에서 보고되었다. 2012년에 보고된 일부를 포함한 후기 실험에서는 77K 이상의 둘레에서 최대 85μm까지 TaaS3 링을 통해 CDW 전류 대 자속, 지배적인 주기 h/2e의 진동을 보여준다.[34] 이러한 행동은 초전도 양자 간섭 소자(SQUID 참조)와 유사하며, CDW 전자 전송은 본질적으로 양자(양자역학 참조)라는 생각을 신뢰한다.

참조

인용된 참조 자료

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일반참조

참고 항목