Влияние межэлектронного взаимодействия на спиновые свойства одномерных и квазиодномерных проводников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Вахитов, Руслан Ришатович

• Вахитов, Руслан Ришатович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Вахитов, Руслан Ришатович

Введение

Глава 1. Особенности одномерных и квазиодномерных проводников

1.1. Одномерные взаимодействующие электроны: жидкость Латт-инджера

1.2. Квазиодномерные проводники - промежуточный класс систем между Ш и ЗЭ объектами.

1.3. Особенности низкотемпературного поведения квази-Ш проводников

1/1. Взаимодействующие электроны в Ш.

Глава 2. Низкотемпературная теплоемкость квазиодномерных проводников.

2.1. Квазиодномерпый проводник без ВЗП

2.2. Расчет теплоемкости квази-Ш проводника с примесями

2.3. Квазиодномерный проводник с ВЗП.

2.4. Расчет теплоемкости квази-Ш проводника в состоянии жидкости Латтинджера, стабилизированной ВЗП.

2.5. Учет флуктуации фаз на примесях.

2.6. Выводы.

Глава 3. Спиновая поляризация электрического тока, протекающего через квантовый провод с примесью.

3.1. Мотивация исследования.

3.2. Основные уравнения

3.3. Флуктуации в проводе конечной длины.

3.4. Генерация спинового тока.

Глава 4. Регистрация спинового тока.

4.1. Измерение приложенного «спинового» напряжения.

4.2. Вычисление зарядовых флуктуаций (ф^). Короткодействие.

4.3. Вычисление зарядовых флуктуаций (ф2р). Дальнодействие.

4.4. Порядок величины эффекта.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние межэлектронного взаимодействия на спиновые свойства одномерных и квазиодномерных проводников»

Актуальность работы.

В физике конденсированного состояния особое внимание уделяется явлениям, обусловленным межэлектронным взаимодействием. Поэтому одномерные (1Б) проводники занимают здесь исключительное положение, взаимодействие в них играет особую роль. Теория ферми-жидкости Ландау, успешно использованная для описания множества физических свойств трехмерных и двумерных электронных систем, в Ш случае оказывается неприменимой. Это связано с тем. что в 1Б системах сильно уменьшается область фазового пространства, доступная для электронных переходов в процессах электрон-электронного рассеяния. Другими словами, в отличие от ЗБ проводников, одномерные электроны не могут легко обойти друг друга. Это приводит к тому, что учет даже слабого межэлектропиого взаимодействия коренным образом меняет спектр системы, характер элементарных возбуждений и физические свойства. В частности, в Ю случае имеет место так называемое спин-зарядовое разделение - заряд и спин могут двигаться независимо (причем с разными скоростями), а проводимость существенно подавляется даже единственной примесью. Благодаря интересной физике и новым необычным свойствам, исследование одномерных и квазиодномерных материалов и структур уже более полувека находится в центре внимания физиков, изучающих конденсированные системы. Интерес к одномерным и квазиодномерным проводникам во многом связан также с тенденциями к миниатюризации в электронике и с успехами современной технологии, позволящей создавать такие одномерные проводящие системы, как полупроводниковые квантовые проволоки и проводящие атомные цепочки на поверхности.

В настоящее время остаются не выясненными даже многие фундаментальные физические свойства таких систем. В частности, особый интерес представляет то, как значительное межэлектронпое взаимодействие сказывается на спиновых свойствах одномерных и квазиодномерпых проводников и как наличие примесей и дефектов влияет на термодинамические и кинетические свойства таких систем.

Цель диссертационной работы состоит в теоретическом исследовании влияния примесей и межэлектронного взаимодействия на теплоемкость одномерных проводников и квазиодномерных проводников, в том числе с волной зарядовой плотности, а также теоретическом изучении спинового транспорта в одномерных проводниках с дефектом.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

1) В рамках модели стабилизированной жидкости Латтинджера найдена низкотемпературная теплоемкость квазидономерного проводника. Рассмотрены случаи квазодномерного проводника с волной зарядовой плотности и без нее, причем особое внимание уделено зависимости теплоемкости от внешнего магнитного поля.

2) Теоретически исследуется перенос спина при протекании электрического тока через примесь в одномерном проводнике. Взаимодействующие электроны описываются в рамках теории жидкости Латтинджера. Рассматривается как кулоповское взаимодействие, так и короткодействующее, которое осуществляется при экранировании дальнодействующей части кулоновсого потенциала затвором. Рассмотрены случаи магнитной и немагнитной примесей. Изучено влияние спинового тока, протекающего через провод, на вольт-амперную характеристику в случае магнитной и немагнитной примеси.

Научная новизна. В рамках диссертационной работы было предложено теоретическое объяснение наблюдаемой в экспериментах на квазиодтюмерпых проводниках с волной зарядовой плотности сильной зависимости низкотемпературной теплоемкости от магнитного поля и концентрации дефектов. Расчет, основанный на учете сильного межэлектронного отталкивания показал, что наблюдаемая зависимость может быть объяснена тем, что состояние с ВЗП образовалось на основе жидкости Латтшгджера. В этом случае сильный примесный пиннинг и частичное нарушение спин-зарядового разделения примесями приводят к локализации избыточных спинов около примесей, что и приводит к характерной зависимости от магнитного поля.

На основании теоертического исследования впервые установлено, что протекание электрического тока через магнитную примесь в одномерном проводнике должно приводить к генерации спинового тока, причем ток имеет постоянную и переменную составляющие. При низких температурах и достаточно малых напряжениях электрический ток может быть практически полностью спин-поляризованным. Показано, что протекание через квантовый провод с магнитной или немагнитной примесью спинового тока влияет на вольт-амперную характеристику провода, что дает возможность измерять спиновый ток чисто электрическим (не магнитным) методом.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка публикаций по теме диссертации и списка цитированной литературы. Работа содержит 118 страниц, 16 рисунков и список литературы, включающий 67 источников.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Вахитов, Руслан Ришатович

Заключение

1)В одномерных и квазиодномерных проводниках сильный примесный пиининг в условиях сильного межэлектронного взаимодействия и частичное нарушение спин-зарядового разделения примесями приводят к локализации избыточных спинов около примесей, что приводит к сильной зависимости теплоемкости от магнитного поля при низких температурах;

2) Протекание электрического тока через магнитную примесь в одномерных проводниках должно приводить к генерации постоянного и переменного спиновых токов;

3) Протекание спинового тока через одномерный проводник, содержащий магнитную или немагнитную примесь, влияет на вольт-амперную характеристику провода, что дает возможность измерения спинового тока чисто электрическим методом.

Автор глубоко благодарен своему научному руководителю С.Н. Артемен-ко - за научное руководство и постоянное внимание к работе, своим коллегам К.Э. Нагаеву, C.B. Ремизову, Д.С. Шапиро, П.П. Асееву, В.Г. Корнич-за совместную работу и подробное обсуждение многих вопросов. Автор также благодарен французскому национальному центру научных исследований CNRS и лично П. Монсо и Ж. Дюма за интерес к работе, экспериментаторам Ж.К. Лаженье и Г. Ремени за подробное обсуждение полученных экспериментальных данных, а также теоретикам Д. Файнбергу и А. Фрайну за обсуждение некоторых вопросов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Вахитов, Руслан Ришатович, 2011 год

1. Landau L. D., Lifshits E. M. Statistical Physics. London: Pergamon Press, 1993.

2. Абрикосов А. А., Горьков JI. П., Дзялошинский И. Е. Методы квантовой теории поля в статистической физике. М.: Физматгиз, 1962.

3. Ландау Л. Д. // ЖЭТФ. 1956. Т. 30. С. 1058.

4. Ландау Л. Д. // ЖЭТФ. 1957. Т. 32. С. 59.

5. Giamarchi Т. Quantum Physics in One Dimension. Oxford: Clarendon Press, 2003.

6. Gogolin A. O., Nersesyan A. A., Tsvelik A. M. Bosonisation and strongly correlated systems. Cambridge: Cambridge University Press, 1998.

7. Tomonaga S. Remarks on Bloch's Method of Sound Waves applied to Many-Fermion Problems // Prog. Theor. Phys. 1950. Vol. 5. Pp. 544-569.

8. Luttinger J. M. An Exactly Soluble Model of a Many-Fermion System //J. Math. Phys. 1963. Vol. 4. P. 1154.

9. Bloch F. // ZS. Pliys. 1933. Vol. 81. P. 363.

10. Bloch F. // Helv. Phys. Acta. 1934. Vol. 7. P. 385.

11. Kane C. L., Fisher M. P. A. Transport in a one-channel Luttinger liquid // Phys. Rev. Lett. 1992. Vol. 68. Pp. 1220-1223.

12. Matveev K. A., Glazman L. I. Coulomb blockade of tunneling into a quasi-one-dimensional wire // Phys. Rev. Lett. 1993. Vol. 70. Pp. 990-993.

13. Furusaki A., Nagaosa N. Single-barrier problem and Anderson localization in a one-dimensional interacting electron system // Phys. Rev. B. 1993. Vol. 47. Pp. 4631-4643.

14. Jompol Y., Ford C. J. В., Griffiths J. P., et al. Probing spin-charge separation in a Tomonaga-Luttinger liquid // Science. 2009. Vol. 325. Pp. 597-601.

15. Auslaender О. M., Steinberg H., Yacoby A., et al. Spin-Charge Separation and Localization in One Dimension // Science. 2005. Vol. 308. Pp. 88-92.

16. Bockrath M., Cobden D. H., Lu J., et al. Luttinger-liquid behaviour in carbon nanotubes // Nature. 1999. Vol. 397. Pp. 598-601.

17. Ishii H., Kataura H., Shiozawa H., et al. Direct observation of Tomona-ga-Luttinger-liquid state in carbon nanotubes at low temperatures // Nature. 2003. Vol. 426. Pp. 540-544.

18. Пайерлс P. Квантовая теория твердых тел. М.: ИнЛит, 1956.

19. Sato М., et al. //J. Phys. С: Solid State Phys. 1985. Vol. 18. P. 2603.

20. Grüner G. Dencity Waves in Solids. London: Addison-Wesley, 1994.

21. Prigodin V. N., Firsof Y. A. // Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1979. Vol. 76. P. 1602.

22. Firsov Y. A., Prigodin V. N., Seidel С. // Phys. Report. 1985. Vol. 126. P. 245.

23. Brazovskii S. A., Yakovenko V. M. // Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1985. Vol. 89. P. 2318.

24. Schulz H. J. // Int. J. Mod. Phys. B. 1991. Vol. 5. P. 57.

25. Boies D., Bourbonnais C., TYemblay A. M. S. // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 74. P. 968.

26. Arrigoni E. // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 83. P. 128.

27. Zaitsev-Zotov S. V., Pokrovskii V. Y., Monceau P. // Pis'ma v ZhEtF. 2001. Vol. 73. P. 29.

28. Zaitsev-Zotov S. V. // Microelectronic Engineering. 2003. Vol. 69. P. 549.

29. Slot E., Holst M. A., van der Zant H. S. J., et al. // Phys. Rev. Lett. 2004. Vol. 93. P. 176602.

30. Yang J., Ong N. P. The low-temperature, low-frequency, dielectric response of pinned charge-density-wave in K0.3M0O3 // Phys. Rev. B. 1991. Vol. 44. Pp. 7912-7916.

31. Nad F. Y., Monceau P. The low-temperature, low-frequency, dielectric response of pinned charge-density-wave in K0.3M0O3 // Solid State Commun. 1993. Vol. 87. P. 13.

32. Nad F. Y., Monceau P. // Synth. Metals. 1995. Vol. 70. P. 1255.

33. Staresinic D., Biljakovic K., Brutting W., et al. // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 65. P. 165109.

34. Simek Z., Puntijar P., Ocko M., et al. // Journal de Physique IV. 2005. Vol. 131. P. 349.

35. Higgs A. W. // Springer Lecture Notes in Physics / Ed. by G. Hutirai, J. Soly-om. 1968. P. 422.

36. Smontara A., et al. // J. Phys. Condensed Matter. 1992. Vol. 4. P. 3273.

37. Volkov A. F. // Phys. Lett. A. 1993. Vol. 182. P. 433.

38. Larkin A., Brazovskii S. // Solid State Commun. 1995. Vol. 93. P. 275.

39. Lasjaunias J. C., Biljakovic K., Sahling S., Monceau P. Magnetic field influence on the low-temperature heat capacity of the CDW compounds TaS3 and Rbo.3Mo03 // J. Phys. IV France. 2005. Vol. 131. Pp. 193-194.

40. Staresinic D., Biljakovic K., Lunkenheimer P., et al. Doping effects on the low-energy excitations of the charge density wave system o-TaSß //J. Phys. IV France. 2005. Vol. 131. Pp. 191-192.

41. Lasjaunias J. C., Sahling S., Biljakovic K., et al. //J. Magn. and Magn. Mat. 2005. Vol. 989. Pp. 290-291.

42. Sahling S., Lasjaunias J. C., Biljakovic K., et al. Magnetic field influence on the low temperature heat capacity and heat release of (TMTSF^PFß // J. of Low Temp. Phys. 2005. Vol. 133. P. 273.

43. Lasjaunias J. C., Sahling S., Sulpice A., et al. Magnetic field influence on the low temperature heat capacity of the spin-Peierls compound CuGeOß // Solid State Commun. 2005. Vol. 136. Pp. 360-364.

44. Sahling S., Lasjaunias J. C., Biljakovic K., et al. Magnetic Field Influence on the Low Temperature Heat Capacity and Heat Release of (TMTSF^PFß // J. Low Temp. Phys. 2003. Vol. 133. P. 273.

45. Melin R.; Lasjaunias J. C., Sahling S., et al. Interplay between Phase Defects and Spin Polarization in the Specific Heat of the Spin-Density-Wave Compound (TMTTF)2Br in a Magnetic Field // Phys. Rev. Lett. 2006. Vol. 97. P. 227203.

46. Brazovskii S. A., Gor'kov L. P., Schrieffer J. R., et al. Influence of Interchain Electron Hopping on Commensurate One-Dimensional Conductors // Physica Scripta. 1982. Vol. 25. Pp. 423-424.

47. Brazovskii S. A., Kirova N. N. Electron Selflocalization and superstructures in quasi one-dimensional dielectrics // Sov. Sci. Rev. Sec. A. 1984. Vol. 5. P. 99.

48. Brazovskii S. A., Matveenko S. I. Solitons in charge-density-wave crystals // Sov. Phys. JETP. 1991. Vol. 72. Pp. 492-498.

49. JIapKHH A. 14. // >K3T<D. 1994. T. 105. C. 1793.

50. Ovchinnikov Y. N., Biljakovic K., Lasjaunias J., et al. Strong-pinning phenomena and low-temperature heat capacitance anomaly in charge and spin-density wave compounds // Europhys. Lett. 1996. Vol. 34. Pp. 645-650.

51. Artemenko S. N. Impurity-induced stabilization of Luttinger liquid in quasi-one-dimensional conductors // JETP Lett. 2004. Vol. 79. P. 335.

52. Brazovskii S., Nattermann T. Pinning and sliding of driven elastic systems: from domain walls to charge density waves // Adv. Physics. 2004. Vol. 53. Pp. 177-252.

53. Sneddon L. Sliding charge-density waves. I. dc properties // Phys. Rev. B. 1984. Vol. 29. P. 719.

54. Kurihara Y. // J. Phys. Soc. Jap. 1980. Vol. 49. P. 852.

55. Artemenko S. N., Volkov A. F. // Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1981. Vol. 81. P. 1872.

56. Artemenko S. N., Remizov S. V. Low-temperature conductivity of quasi-one-dimensional conductors: Luttinger liquid stabilized by impurities // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 72. P. 125118.

57. Artemenko S. N., Nattermann T. Long-Range Order in Quasi-One-Dimensional Conductors // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99. P. 256401.

58. Voit J. One-dimensional Fermi liquids // Rep. Prog. Phys. 1994. Vol. 57. Pp. 977-1116.

59. Schulz H.J.// Mesoseopic Quantum Physics, Les Houches XXI / Ed. by E. Akkermans, G. Montambaux, J. L. Pichard, J. Zinn-Justin. Amsterdam: Elsevier, 1995. P. 425.

60. Coleman S. Quantum sine-Gordon equation as the massive Thirring model // Phys. Rev. D. 1975. Vol. 11. Pp. 2088—2097.

61. Mandelstam S. Soliton operators for the quantized sine-Gordon equation // Phys. Rev. D. 1975. Vol. 11. P. 3026-3030.

62. Fabrizio M., Gogolin A. O. Interacting one-dimensional electron gas with open boundaries // Phys. Rev. B. 1995. Vol. 51. P. 17827.

63. Voit J., Schulz H. J. Electron-phonon interaction and phonon dynamics in one-dimensional conductors: Spinless fermions // Phys. Rev. B. 1987. Vol. 36. Pp. 968-979.

64. Voit J., Schulz H. J. Electron-phonon interaction and phonon dynamics in one-dimensional conductors // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 37. Pp. 10068-10085.

65. Artemenko S. N., Remizov S. V., Shapiro D. S. Impurity induced coherent current oscillations in one-dimensional conductors // Pis'ma v ZliETF. 2008. Vol. 87. Pp. 792-796.

66. Egger R., Grabert H. Applying voltage sources to a Luttinger liquid with arbitrary transmission // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 58. Pp. 10761-10768.

67. Артеменко С. H., Асеев П. П., Шапиро Д. С. Электронный транспорт в коррелированном квантовом проводе с объемными контактами // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 91. С. 659-Г"