Актуальность темы
диссертации.
Диссертационная работа посвящена теоретическому исследованию свойств структурных и кулоновских стекол в магнитном поле.
Многие свойства структурных стекол при низких (ниже 1К) температурах определяются двухуровневыми системами (ДУС) — группами атомов, способными туннелировать между двумя положениями. Хотя общая теория влияния двухуровневых систем на свойства стекла была построена около 30 лет назад [1], микроскопическая структура двухуровневых систем остается на сегодняшний день для большинства стекол неизвестной. Между тем, знание микроскопической структуры ДУС безусловно важно для физики аморфных твердых тел. Важность исследования двухуровневых систем подчеркивается и тем, что многие материалы, используемые в современной электронике, являются, фактически структурными стеклами.
Благодаря существованию двухуровневых систем, в стеклах наблюдаются явления, не существующие в соответствующих им кристаллах. Одно из них — двухимпульсное дипольное эхо состоит в следующем. При подаче па стекло двух последовательных электрических импульсов, разделенных временным интервалом т, наблюдается запаздывающий отклик диэлектрической поляризации стекла с частотой, равной частоте возбуждающих импульсов, через время г после второго импульса.
Недавно было открыт интересный факт — амплитуда дипольного эха в стеклах, не содержащих парамагнитных атомов может немонотонным (осциллирующим) образом зависеть от магнитного поля. Это явление наблюдалось уже в относительно слабых полях 0.1/, Т). Кроме того, зависимость амплитуды дипольного эха от магнитного поля существенно изменялась при изменении временного интервала между возбуждающими импульсами. Все это давало надежду получить с помощью измерений амплитуды дипольного эха в магнитном ноле информацию о микроскопической структуре двухуровневых систем, например, с помощью компьютерного моделирования ДУС и сопоставления полученных результатов с экспериментом.
Современное объяснение влияния магнитного поля на амплитуду дипольного эха связано с влиянием ядерных спинов на динамику двухуровневых систем. Эта гипотеза подтверждается сильным изотоиическим эффектом, наблюдавшимся в работе [10]. В этой работе при замене водорода (ядерный спин которого равен ½) на дейтерий с ядерным спином 1, влияние магнитного поле на амплитуду дипольного эха возрастало более чем на порядок. Это объясняется тем, что основной вклад во влияние ядерных спинов на динамику ДУС вносит квадрупольное взаимодействие ядра с градиентом микроскопического поля. Такое взаимодействие возможно только для ядер со спином / > 1, т. е. невозможно для водорода и возможно для дейтерия. Тем не менее, влияние магнитного поля на амплитуду дипольного эха наблюдается также и в стеклах, не содержащих несферических ядер со спином .7 > 1. В настоящее время этот факт объясняется связью динамики ДУС с диполь-диполытым взаимодействием атомных ядер. В диссертационной работе построена детальная теория влияния магнитного поля на амплитуду дипольного эха в стеклах, связанного с динамикой ядерных спинов. При этом учитывается как вклад квадрупольного взаимодействия ядер с градиентом внутреннего поля, так и диполь-дипольного взаимодействия ядер между собой. В частности, показано, что в экспериментально важном случае малого квадрупольного (или диполь-дипольного) взаимодействия зависимость амплитуды двухимпульсного эха от магнитного поля имеет универсальный вид.
Этот вид зависит только от магнитного дипольного момента входящих в стекло ядер и не зависит ни от конкретного механизма взаимодействия ядерных спинов с ДУС ни (что особенно важно) от микроскопической структуры двухуровневых систем.
Для более общего случая в работе проведен качественный анализ зависимости амплитуды эха от магнитного поля, и, в частности, показано, как можно в некоторых случаях использовать результаты измерения амплитуды дипольного эха в магнитном поле при разных временных промежутках между возбуждающими импульсами для определения характеристик двухуровневых систем.
Кроме этого, в работе проводилось теоретическое исследование свойств кулоновских стекол. Кулоновским стеклом называется диэлектрическая система с сильным беспорядком и корреляцией. Многие важные с точки зрения фундаментальной науки и техники системы являются, фактически, кулоновскими стеклами. Характерным примером такой системы может служить примесная зона полупроводника при средней компенсации на диэлектрической стороне перехода Андерсона. Такая зона представляет собой набор случайно расположенных свободных и заполненных примесей. Волновые функции носителей на примесях локализованы (хотя в такой системе и возможна проводимость за счет туннельных переходов носителей между примесями). При этом заряженные примеси создают случайный потенциал, который уширяет примесный уровень в зону. Естественным образом, числа заполнения примесей определяются случайным потенциалом, однако, и сам потенциал определяется числами заполнения примесей, то есть, задача оказывается самосогласованной. Было показано (см. напр. [44]), что в такой системе существует множество метастабильных состояний. Энергии этих состояний отличаются слабо (в том числе, они слабо отличаются и от энергии нижнего состояний), однако, для перехода между этими состояниями требуется одновременная перестановка большого числа носителей. Все вышесказанное позволяет говорить о примесной зоне полупроводника как о кулоновском стекле.
При низких температурах примесная зона может определять проводимость полупроводника, при этом реализуется т.н. режим прыжковой проводимости. Исследования процессов происходящих в примесной зоне, и в частности, прыжковой проводимости, ведутся уже более 50 лет. (см., напр, [28]). Подобные исследования позволяют существенно расширить наши знания о свойствах примесей в полупроводнике. Так, эксперименты по измерению магнетосопротивления полупроводника (вместе с измерением температурной зависимости его проводимости) позволяют найти такие важные свойства примесных центров, как, например, радиус локализации носителя на примеси.
Тем не менее, на сегодняшний день не существует полной и удовлетворительной теории магнетосопротивления полупроводника в режиме прыжковой проводимости. Так, основные существующие результаты для интерференционного механизма магнетосопротивления (связанного с интерференцией различных путей туннелирования) получены в рамках модели, не учитывающей электронные спины. Существуют аргументы, указывающие на то, что эта модель применима к реальным прыжковым полупроводникам при условии, что спины электронов на примесях выстроены за счет обменного взаимодействия. Также существуют качественные рассуждения, указывающие на то, что в случае, если спины электронов не выстроены обменным взаимодействием (парамагнитны), никаких эффектов, связанных с интерференцией, в том числе и интерференционного магнетосопротивления, не существует.
Важно отметить, однако, что рассуждения, приводящие к отсутствию интерференционных эффектов в случае свободных спинов, приводились для случая большого количества промежуточных примесей. В этом случае между двумя примесями, способными напрямую участвовать в прыжковой проводимости, находится (статистически) множество рассеивающих центров. Тем не менее, в экспериментах зачастую реализуется противоположный случай: среднее число рассенвателей при прыжке оказывается меньше единицы. При этом отсутствие явлений, связанных с интерференцией, по крайней мере, не очевидно. В диссертационной работе рассматривается возможность наблюдения явлений, связанных интерференцией различных путей туннелирования в полупроводниках, в которых характерное число рассеивающих центров при прыжке мало, а сиины электронов на примесях парамагнитны. Показано, в частности, что при определенных условиях влияние интерференции на магнетосопротивление таких полупроводников возможно.
Еще одна важная особенность кулоновских стекол — существование медленных процессов, связанных с переходами между метастабильными состояниями. Пару метастабильных состояний можно рассматривать как двухуровневую систему, шш бистабильный агрегат. Переход между состояниями такого агрегата осуществляется за экспоненциально большое время. Процессы релаксации таких агрегатов могут приводить к медленным процессам в кулоновских стеклах. Подобные процессы наблюдались, например, в диэлектрическом оксиде индия [47], где наблюдалась «память» кулоновского стекла о состоянии, в котором оно находилось длительное время.
Тем не менее, в оксиде индия процессы, связанные с кулоновским стеклом могут конкурировать с медленными процессами, связанными со структурными двухуровневыми системами. Недавно, однако, наблюдались процессы медленной релаксации магнетосопротивления двумерных структур на основе СаАз-АЮаАэ в режиме прыжковой проводимости. В этих системах нет структурных ДУС и можно предположить, что все процессы медленной релаксации связаны с переходами между метастабильными состояниями кулоновского стекла.
В работе построена теория медленной релаксации магнетосопротивления в таких системах, позволяющая по крайней мере качественно описать наблюдавшуюся медленную релаксацию проводимости в магнитном поле.
Целью работы является:
1. Изучение влияния магнитного поля на амплитуду дипольного двухимпульсного эха в структурных стеклах при сверхнизких температурах.
2. Разработка теории интерференционного магнетосопротивления полупроводников в режиме прыжковой проводимости, в случае парамагнитных спипов и малого количества промежуточных примесей.
3. Исследование медленной релаксации сопротивления в магнитном поле в двумерных полупроводниковых структурах с проводимостью с переменной длиной прыжка.
Научная новизна работы состоит в решении следующих задач:
1. Развита теория двухимпульсного эха в магнитном поле. В частности, получена универсальная аналитическая формула, описывающая амплитуду дипольного эха в магнитном поле в приближении малого квадрупольного (или диполь-дипольного) взаимодействия. Кроме того, проведен качественный анализ, позволяющий сопоставить результаты измерения амплитуды дипольного эха в магнитном поле для различных временных интервалов между возбуждающими импульсами т со свойствами микроскопического потенциала в стекле.
2. Построена теория интерференционного магнетосопротивления в полупроводниках с прыжковой проводимостью для случая парамагнитных центров и малого количества промежуточных примесей. В этой теории явно учтены электронные спины и возможность корреляции между спиновыми степенями свободы и электронными прыжками.
3. Построена теория медленной релаксации сопротивления в магнитном поле в полупроводниках с проводимостью с переменной длиной прыжка.
Практическая значимость работы состоит в том, что в работе впервые получено аналитическое описание влияния магнитного поля на амплитуду двухимпульсного дипольного эха в стеклах, позволяющее непосредственное сопоставление с экспериментомвпервые построена теория интерференционного магнетосопротивления в случае малого количества промежуточных примесей и свободных спинов, учитывающая возможность корреляции между изменением спиновых состояний примесей и прыжковой проводимостьювпервые объяснен эффект медленной релаксации магнетосопротивления в двумерных полупроводниковых структурах с прыжковой проводимостью.
Сопоставление с экспериментом результатов работы, связанных с двухимпульсным эхом, позволяет лучше понять физику аморфных твердых тел при низких температурах и в определенных случаях получить данные о микроскопической структуре входящих в стекло двухуровневых систем. Сопоставление с экспериментом результатов, связанных с примесной зоной полупроводника позволяет получить новую информацию о структуре примесной зоны и примесных состояниях в полупроводнике.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В приближении малого квадрупольного (или диполь-дипольного) взаимодействия влияние магнитного поля на амплитуду дипольного эха в структурных стеклах описывается универсальным выражением sin4(/iff т/2 J/i) sin4 {цНт/ Jh)~ ech0 [ (/iH/МУ + 4(цН/JKf. «.
В этом выражении С — параметр, определяемый силой взаимодействия динамики ДУС с ядерными спинами, ?i — ядерный магнитный момент, J — ядерный спин, Н — внешнее магнитное поле, т — временной интервал между возбуждающими импульсами. Данное выражение не зависит от микроскопической структуры двухуровневых систем и справедливо как для случая квадрупольного взаимодействия ядер с градиентом микроскопического поля, так и для случая диполь-дипольного взаимодействия ядерных магнитных моментов.
2. В приближении одной значимой пары уровней, при изменении интервала между возбуждающими импульсами, минимум и максимум зависимости амплитуды дипольного эха от магнитного поля при Н = 0 чередуются с периодом Дт «27rft/e, где е — тонкое расщепления (за счет энергии ядерных спинов) значимой пары уровней в нулевом внешнем магнитном поле.
3. В полупроводниках с проводимостью с переменной длиной прыжка в случае малого количества промежуточных примесей возможно наблюдение эффектов, связанных интерференцией даже в случае парамагнитных спинов электронов на промежуточных примесях. В частности, если поле Hze (при котором Зеемановская энергия электрона на примеси сравнивается с температурой) меньше поля (при котором характерная разность фаз между путями туннелирования сравнивается с 27г), может наблюдаться максимум магнетосопротивлеиия при магнитном поле порядка HZe.
Кроме того, существуют корреляционные эффекты, усиливающие отрицательное магнетосопротнвление. В пределе сильной корреляции в рассматриваемом случае возможно существование линейного по полю отрицательного магнетосопротивлеиия, аналогичного существующему в том случае, когда спины выстроены обменным взаимодействием.
4. Влияние магнитного поля па поляронную щель в двумерных системах с прыжковой проводимостью, в которых легированы и ямы, и барьеры, приводит к медленной релаксации сопротивления в магнитном поле.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах лабораторий ФТИ им. А. Ф. Иоффе, на семинаре ПИЯФ им. Курчатова, на зимней школе по физике полупроводников ФТИ им. Иоффе (сессия молодых ученых) (2010) и на международных конференциях Phonons 2007 (Париж, 2007) и Fundamentals of electronic nanosystems (Санкт-Петербург, 2010).
Публикации. По результатам исследований, проведенных в рамках диссертационной работы, опубликовано 4 статьи (их список приведен в конце диссертации).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка литературы.
Заключение
.
В Диссертации получены следующие основные результаты:
1. В работе обобщена теория влияния магнитного ноля на амплитуду дипольного двухимнульсного эха в стеклах на случай произвольного взаимодействия двухуровневых систем с ядерными спинами. Показано, как эта теория может быть применена к механизмам квадрупольного взаимодействия ядер с микроскопическим потенциалом и диполь-дипольного взаимодействия ядерных магнитных моментов.
2. Получено аналитическое выражение, описывающее амплитуду дипольного эха в стеклах в магнитном поле для случая малого квадрупольного взаимодействия ядер с микроскопическим потенциалом и диполь-дипольного взаимодействия ядерных спинов. Показано, что в этом случае зависимость амплитуды дипольного эха от магнитного поля не зависит ни от микроскопической природы двухуровневых систем ни от механизма взаимодействия ДУС с ядерными спинами.
3. Получено аналитическое выражение, описывающее влияние магнитного поля на дипольное эхо в стеклах, в которых связь двухуровневых систем с ядерными спинами осуществляется за счет квадрупольного взаимодействия ядер с микроскопическим потенциалом, ядра имеют целый спин и потенциал внутреннего электрического поля имеет аксиальную симметрию.
4. Выделен случай одной значимой пары уровней тонкого расщепления. Показано, как в этом случае, используя измерения амплитуды дипольного эха в магнитном поле при различных временных интервалах между возбуждающими импульсами, можно найти энергию тонкого расщепления двухуровневых систем (за счет ядерных квадрупольных моментов).
5. Построена теория интерференционного магнетосопротивлсния в полупроводниках с проводимостью с переменной длинной прыжка в которых реализуется режим свободных спинов и малого количества промежуточных центров. В частности, покачано, что интерференционное магнетосопротивление в таких полупроводниках может иметь максимум, если магнитное поле, приводящее к выстраиванию спинов оказывается не больше чем магнитное поле, приводящее к насыщению интерференционного магнетосопротивления.
6. Показано, что существует корреляция между электронными прыжками и изменением спиновой конфигурации резисторов, отвечающих за прыжковую проводимость. В пределе сильной корреляции интерференционное магнетосопротивление в полупроводниках с свободными спинами и малым количеством промежуточных центров описывается тем же выражением что и интерференционное магнетосопротивление в бссспиновой модели.
7. Объяснен эффект медленной релаксации магнетосопротивления, наблюдавшийся в двумерных полупроводниковых структурах с прыжковой проводимостью и возможностью двукратного заполнения примесных центров.
В заключение я выражаю глубокую признательность своему научному руководителю В. И. Козубу за помощь и руководство на протяжении всей подготовки к защите этой диссертации. Также я благодарен Д. А. Паршину, фактически руководившему моей работой в области двухимпульсного эха.
Кроме того, хотелось бы выразить свою благодарность Н. В. Агринской, Н. С. Аверкиеву, П. Петрову и A.C. Иосселевичу, а также всем участникам семинара сектора физической кинетики и чайного семинара ФТИ им. Иоффе РАН за обсуждение и критическое отношение к моей работе.
