Філь Дмитро Вячеславович. Колективні явища за участю фононів в низьковимірних сильнокорельованих системах : Дис... д-ра наук: 01.04.02 - 2002.
Анотація до роботи:
Філь Д.В. Колективні явища за участю фононів в низьковимірних сильнокорельованих системах. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фіз.-мат. наук за спеціальністю 01.04.02 – теоретична фізика. – Інститут монокристалів НАН України, 2002. Харків, Україна.
Досліджені ефекти зумовлені взаємозв’язком між фононними властивостями і структурою основного стану низьковимірних сильнокорельованих електронних та бозонних систем. Розвинута анізотропна мікроскопічна модель кооперативного ефекту Яна-Теллера в тетрагональних кристалах, яка послідовно ураховує тетрагональне кристалічне поле і нелінійність ян-теллеровської взаємодії. Описано ян-теллеровський механізм перенормування фононних спектрів. Побудована теорія орієнтаційного пінінгу двовимірних страйп-структур і вігнеровських кристалів в п’єзолектричних матрицях. Знайдено ефект осциляційної залежності фазової швидкості фононів від хвильового вектора в системах з еніонами. Побудована теорія взаємодії композитних ферміонів з пружними хвилевідними модами. Описано ефект просторових осциляцій індукованого заряду в квантових холовських системах. Побудована феноменологічна модель, що описує акустичні аномалії в ВТНП купратах із електронним типом провідності. Передбачено існування в цих сполуках колективної площинної електронної моди зі звуковим законом дисперсії. Аналітично розв’язана власноенергетична задача для колективних збуджень в двовимірному неідеальному Бозе газі в зовнішньому лінійному потенціалі та потенціалі, що має максимум в центрі системи.
У дисертації наведено вирішення наукової проблеми, яка полягає у встановленні взаємозв’язку між властивостями фононних збуджень та структурою основного квантового стану низьковимірних сильнокорельованих електронних і Бозе систем. Результатом дослідження є побудова нових та узагальнення і розвиток існуючих теоретичних моделей, що описують взаємодію фононів з низьковимірними електронними системами, а також колективні збудження в низьковимірних Бозе системах. Знайдені нові колективні ефекти, які зумовлені впливом структури основного стану електронної підсистеми на властивості акустичних та оптичних фононних збуджень, а також зворотним впливом фононів на квантовий стан сильнокорельованих електронів. Встановлені закономірності дозволяють визначити мікроскопічні і макроскопічні властивості двовимірніх і квазідвовимірних електронних та двовимірних Бозе систем, і, відповідно, їх функціональні характеристики, в залежності від внутрішніх параметрів, геометрії системи, типу і структури зовнішніх полів. Одержані результати складають основу нового наукового напрямку: ”Теорія колективних явищ зa участю фононів в низьковимірних сильнокорельованих електронних системах.”
Головні висновки та результати роботи є такими.
1.Побудована мікроскопічна анізотропна модель кооперативного ефекту Яна-Теллера в тетрагональних кристалах, яка послідовно ураховує тетрагональне кристалічне поле і нелінійність ян-теллеровської взаємодії. Показано, що завдяки анізотропії ефект Яна-Теллера може скласти конкуренцію первинному розщепленню ян-теллеровських рівнів, яке має місце в тетрагональних кристалах. Відповідно, роль кооперативного ефекту Яна-Теллера у процесах формування змішаного орбітального стану значно зростає.
2.Запропонований ян-теллеровський механізм перенормування фононних спектрів. Визначено, що спектр фононів в ян-теллеровських системах залежить від орбітальної структури. Описані аномальні властивості верхніх оптичних мод, що спостерігаються в La2CuO4 в експериментах по непружному розсіянню нейтронів.
3.Побудована теорія орієнтаційного пінінгу вігнеровських кристалів в анізотропних п’єзоелектричних матрицях, що базується на фононному механізмі. Розвинутий модифікований варіант методу Евальда для розрахунку граткових сум з анізотропною взаємодією загального виду. Знайдена орієнтація моношарових і двошарових вігнеровських кристалів в матриці GaAs. Визначено, що фононний механізм ориєнтаційного пінінгу відіграє вирішальну роль в процесах переорієнтації двошарових вігнеровских кристалів і визначає можливість формування в них доменних структур.
4.Розвинута фононна модель орієнтаційного пінінгу страйп-структур в квантових холовских системах. Запропонований новий механізм зниження симетрії орієнтаційної енергії страйпів, що виникає завдяки інтерференції між п’єзоелектричним та деформаційним каналами електрон-фононної взаємодії. Інтерференційний механізм є поверхневим ефектом і реалізується, коли період страйп-структури перевищує відстань між електронним шаром і поверхнею зразка. На основі фононної моделі пояснена анізотропія провідності в (100) та (311) шарах в матриці GaAs.
5.Побудована теорія еніон-фононної взаємодії. Визначено, що наявність в твердотільних системах еніонних збуджень приводить до виникнення осциляційної залежності фазової швидкості акустичних фононів від хвильового вектора. Структура осциляцій визначається статистикою еніонів. Ефект, що описано, дозволяє використовувати фонони для непрямого спостереження еніонних збуджень та визначення їх статистики.
6.Знайдено ефект осциляційної залежності від відстані густини індукованого заряду в двовимірній електронній системі в режимі дробового квантового ефекту Хола. Подібно до фріделівських осциляцій, в даному випадку осциляції густини індукованого заряду мають місце на значній відстані від пробного заряду, але на відміну від фріделівських осциляцій залежність густини від відстані має іншу асимптотику, і осциляції значно зростають при наближенні фактора заповнення до значення . Картина осциляцій в двошарових системах суттєво змінюється при фазових перетвореннях топологічного типу, Останній ефект може бути використаним для непрямого спостереження таких фазових перетворень.
7.Показано, що акустична неоднорідність напівпровідникових гетероструктур, які використовуються для реалізації двошарових електронних систем, зумовлює існування в таких структурах хвилевідних фононних мод. Побудована теорія взаємодії хвилевідних мод з двовимірними електронами. Знайдено, що взаємодія хвилевідних мод з двошаровою електронною підсистемою зростає зі зменшенням довжини хвилі і досягає максимуму при довжині хвилі порядку відстані між шарами. Така поведінка є принципово відмінною від тієї, що має місце при взаємодії з двовимірними електронами поверхневої акустичної хвилі, для якої взаємодія експоненціально зменшується при зменшенні довжини хвилі. Це дозволяє використовувати хвилевідні фононні моди для вивчення короткохвильової динаміки електронної підсистеми, що недоступна для вивчення методом поверхневих акустичних хвиль. В рамках моделі композитних ферміонів досліджено перенормування спектру хвилевідних мод, взаємодіючих з квантовою холовською системою. Знайдено ефект зсуву швидкості хвилевідної моди при фазових перетвореннях топологічного типу в двошаровій електронній системі в режимі дробового квантового ефекту Хола.
8.Побудована феноменологічна модель, що описує акустичні аномалії в ВТНП купратах з електронним типом провідності. Показано, що спостережені аномалії мають бути інтерпретовані як непрямий доказ існування в таких системах колективних мод електронного походження, спектр яких є акустичним і двовимірним (площинна мода). Визначено, що наявність площинної моди приводить до зниження температури Дебая. Розрахована величина температури Дебая кількісно погоджується з даними калориметричних вимірювань. Показано, що присутність площинної моди має привести до різкого зростання анізотропії фактора Дебая Валлера, виникнення додаткових піків в спектрах розсіяння нейтронів при низькосиметричних напрямках вектору розсіяння і зміни форми дифузних плям в дифракційній картині розсіяння рентгенівських променів.
9.Розвинуто підхід до опису колективних збуджень в двовимірних неоднорідних Бозе системах, що оснований на введенні операторів густини і фази. Запропоновано новий метод аналітичного розв’язання власноенергетичної задачі на спектр низькочастотних колективних мод в неоднорідній Бозе системі. Метод оснований на розгляді моделі з необмеженим зростанням густини. З використанням цього метода знайдені аналітичні вирази для спектрів колективних мод для системи у зовнішньому лінійному потенціалі і потенціалі , який моделює ситуацію, коли у системі існує долина низької густини. Із порівняння аналітичних спектрів і спектрів, що обчислені числовим методом, визначена універсальна умова застосування аналітичного підходу. Показано, що аналітичний метод добре описує спектр колективних мод, локалізованих на краю системи, чи в долині низької густини. Знайдена залежність критичної швидкості надплинного потоку від параметрів зовнішнього потенціалу. Показана можливість бозе-ейнштейнівської конденсації в таких системах при ненульових температурах у випадку, коли кількість частинок є кінцевою, і відсутність Бозе конденсату в термодинамічній межі.
Публікації автора:
Fil D.V., Tokar O.I., Shelankov A.L., Weber W. Lattice-mediated interaction of Cu2+ Jahn-Teller ions in insulating cuprates// Phys. Rev. B. – 1992. – Vol. 45, №10. - P.5633-5640.
Kolobov I.G., Fil V.D., Fil D.V., Barilo S.N., Zhigunov D.I. Possible evidence of the existence of a soundlike collective mode in Nd2-xCexCuO4//Phys. Rev. B. – 1994. - Vol.49, №1. – P. 744-747.
Fil D.V., Shevchenko S.I. Collective excitations of a two-dimensional interacting Bose gas in external fields// Phys. Rev. A. - 2001. -Vol.64, №1. - Pap. № 013607(7 pages).
Fil D.V. On the role of electron-phonon interaction in the resistance anisotropy of two-dimensional electrons in GaAs heterostructures// J. Phys: Cond. Matt.-2001. Vol. 13, № 50, P. 11633-11639.
Shevchenko S.I., Fil D.V., Mamalui M.A. Existence of True Bose-Einstein Condensate in a 2D Interacting Gas in an Anti-Trap Geometry// Journal of Low Temperature Physics. - 2000. – Vol.121, №5/6. –P. 275-280.
Livdan D.O., Seminozhenko V.P., Sobolev V.L., Tokar O.I., Fil D.V. The spinon channel of Copper pairing in the two-band Hubbard model// Physica C. – 1989. - Vol. 161,№4. - P. 517-522.
Fil D.V., Tokar O.I. Oscillations of the phonon spectra due to anion-lattice coupling// Physica C. – 1994. – Vol. 230, №1/2. – P. 207-212.
Fil D.V., Zazunov A.L. Brillouin light scattering, X-ray diffraction and neutron scattering spectroscopy of collective soundlike plane mode in HTSC cuprates// Physica C. – 1997. - Vol. 282-287. - P.1045-1046.
Ливдан Д.О., Стржемечный М.А., Токарь О.И., Филь Д.В. Механизм разрушения антиферромагнетизма в двухзонной модели Хаббарда// Письма в ЖЭТФ. – 1990. – Т. 51,№9. - С. 461-464.
Токарь О.И., Филь Д.В. Перенормировка фононных спектров в системах с энионными возбуждениями//ФНТ. – 1993. – Т.19, №8.- С. 928-930.
Филь Д.В., Колобов И.Г., Филь В.Д., Барило С.Н., Жигунов Д.И. Новая колебательная мода звукового типа в монокристаллах Nd(Pr)2CuO4//ФНТ. – 1995. – Т.21, №12. - С.1225-1235.
