Физики превратили моттовский диэлектрик в проводник

Фото: портал Москва 24/Александр Авилов

Физики из России и Германии показали, как моттовский диэлектрик может стать проводником под действием ультракоротких лазерных импульсов. Медот впервые совмещает спектроскопию высоких гармоник и динамику многочастичных систем с сильным взаимодействием. Он позволит исследовать системы с разрешением по времени порядка нескольких фемтосекунд.

Исследователи часто пренебрегают взаимодействием электронов при описании электрических свойств твердых тел. Взаимодействие признается слишком малым и сводится к движению квазичастиц. Каждую из них рассматривают отдельно, описывая проводимость материала через запрещенную зону частиц. Это область значений, которые не может принимать энергия частицы.

Если ширина такой зоны равна нулю, то материал считается проводником, при значении в один-три электронвольта его признают полупроводником, при большей ширине вещество считается изолятором.

Однако иногда пренебречь взаимодействием нельзя, и зонная теория неправильно предсказывает электрические свойства материала. В 1937 году были обнаружены оксиды, для которых такой подход предсказывает хорошую проводимость, а на самом деле они изолируют ток. В том же году Невилл Мотт и Рудольф Пайерлс объяснили это неожиданное поведение. Они включили в модель взаимодействие между отдельными электронами. В изоляторах нового типа электроны отталкивались настолько сильно, что они не передвигались внутри материала свободно и ток не проводился. Подобные диэлектреки назвали моттовскими.

Группа ученых под руководством Михаила Иванова использовала для теоретического исследования свойств моттовского изолятора метод спектроскопии высоких гармоник (High harmonic generation, HGG). На материал направляли короткие лазерные импульсы с заданными характеристиками, сообщается в статье Nature Photonics. У них была определенная частота, фаза и поляризация.

У отраженных от поверхности импульсов характеристики менялись, исследователи делали выводы о свойствах электронных состояний внутри материала. При этом в излучении образца можно увидеть не только основную, но и более высокие гармоники. Метод впервые применили на твердом теле с сильным взаимодействием электронов.

Для описания моттовского диэлектрика ученые использовали одномерную модель Ферми-Хаббарда, в которой на каждое состояние в среднем приходилось по одной частице. Они могут переходить в соседнее состояние с некоторой вероятностью, которая уменьшается, если состояние уже занято другой частицей. Так получилось смоделировать электрическое отталкивание с определенной энергией. В основном состоянии моттовский изолятор имеет антиферромагнитный порядок, а элементарные возбуждения в нем представлены парами связанных дырок. Ученые добавили к модели электромагнитное поле с частотой 33 терагерца, и медленно меняющейся во время импульса амплитудой. Затем они рассчитали вероятность возбуждения пар связанных дырок, а также взаимную скоррелированность соседних спинов.

Оказалось, что при достаточно большой длительности импульса и малом отношении энергии отталкивания к вероятности смены состояния частицы материал становится проводником. Предполагается, что лазерный импульс передает электронам достаточно энергии, чтобы преодолеть силу отталкивания. Когда она становится нулевой, спектр материала полностью совпадает со спектром обычных проводников.