Физики превратили моттовский диэлектрик в проводник

Физики из России и Германии теоретически показали, что под действием ультракоротких лазерных импульсов моттовский диэлектрик может перейти в проводящее состояние. Предложенный учеными метод впервые совмещает спектроскопию высоких гармоник и динамику многочастичных систем с сильным взаимодействием, с его помощью можно исследовать свойства систем с разрешением по времени порядка нескольких фемтосекунд. Статья опубликована в Nature Photonics.

Обычно ученые пренебрегают взаимодействием электронов при описании электрических свойств твердых тел — проводников и изоляторов. Точнее, они считают, что взаимодействие есть, но оно слишком мало, и движение реальных электронов можно свести к движению квазичастиц (электронов или дырок) — удобных абстракций, которые отвечают коллективным возбуждениям в среде обычных частиц. Каждую такую квазичастицу можно рассматривать по отдельности от соседок, и проводимость материала удается описать с помощью запрещенной зоны — области значений, которые не может принимать энергия квазичастицы. Так, если ширина запрещенной зоны равна нулю, то частицы движутся по материалу совершенно свободно, и его можно считать проводником. Если ширина запрещенной зоны отлична от нуля, но невелика (один-три электронвольта), электроны смогут «перескочить» через нее, если приложить к ним достаточно большую силу, и материал станет полупроводником. Если же запрещенная зона растянется больше, чем на четыре электронвольта, электроны через нее протуннелировать не смогут, и материал будет обычным изолятором (диэлектриком).

Однако иногда пренебречь взаимодействием нельзя, и зонная теория неправильно предсказывает электрические свойства материала. В 1937 году Ян де Бур (Jan Hendrik de Boer) и Эверт Вервей (Evert Verwey) обнаружили, что некоторые оксиды, для которых зонная теория предсказывает хорошую проводимость, в действительности являются изоляторами. В том же году Невилл Мотт (Nevill Mott) и Рудольф Пайерлс (Rudolf Peierls) объяснили это неожиданное поведение, включив в рассмотрение взаимодействие между отдельными электронами. Грубо говоря, в подобном изоляторе энергия отталкивания электронов оказывается выше их средней кинетической энергии, электроны не могут свободно передвигаться внутри материала, и он не проводит электрический ток. Сейчас такие изоляторы называются моттовскими. К сожалению, сильное взаимодействие между электронами не только наделяет моттовские изоляторы необычными свойствами, но и затрудняет их изучение. 

Михаил Иванов из германского Института Макса Борна и его коллеги из МГУ и Российского квантового центра использовали для теоретического исследования свойств моттовского изолятора метод спектроскопии высоких гармоник (High harmonic generation, HGG). В этом методе на поверхность материала направляется серия коротких — длительностью порядка нескольких фемтосекунд — лазерных импульсов с заданными характеристиками. Например, частотой, интенсивностью, фазой и поляризацией. При отражении от поверхности эти характеристики меняются и по их изменению можно судить о свойствах электронных состояний внутри материала. Слово «высокий» в названии метода появилось из-за того, что в излучении образца можно увидеть не только основную, но и более высокие гармоники (в некоторых случаях более пяти). За последние двадцать лет метод спектроскопии высоких гармоник активно использовался для изучения твердых тел, демонстрации динамических осцилляций Блоха и измерения кривизны Берри. Однако на телах с сильным взаимодействием между электронами его применяют впервые.

Для описания моттовского диэлектрика ученые использовали одномерную модель Ферми-Хаббарда, в которой на каждое состояние в среднем приходилось по одной частице. В этой модели частицы могут «перепрыгивать» в соседнее состояние с некоторой вероятностью t₀, однако вероятность сильно уменьшается, если состояние уже занято другой частицей — это моделирует электрическое отталкивание с энергией U. В основном состоянии моттовский изолятор имеет антиферромагнитный порядок, а элементарные возбуждения в нем представлены парами связанных дырок (doublon–hole pairs). К описанной модели ученые добавили электромагнитное поле, частота которого составляла примерно 33 терагерца, а амплитуда медленно менялась во время импульса, и рассчитали вероятность возбуждения пар связанных дырок, а также взаимную скоррелированность соседних спинов.

Оказалось, что при достаточно большой длительности импульса и малом отношении U/t₀ антиферромагнитный порядок моттовского изолятора разрушается. Более того, материал перестает быть изолятором и становится проводником — концентрация дырок в нем растет, а заселенность основного уровня падает. Качественно такое поведение можно объяснить тем, что лазерный импульс передает электронам достаточно энергии, и они легко преодолевают силу отталкивания. В пределе U/t₀, который отвечает нулевой силе отталкивания, спектр материала полностью совпадает со спектром обычных проводников, как и следовало ожидать.

В начале марта ученые из США и Японии экспериментально показали, что двухслойный графен переходит в сверхпроводящее состояние, если повернуть его слои на «магический угол» и охладить до температуры около двух Кельвин. Это первый сверхпроводник, состоящий исключительно из атомов углерода. Тем не менее, если немного недокрутить слои друг относительно друга, графен будет проявлять свойства не сверхпроводника, а моттовского изолятора, и его сопротивление вырастет до величины порядка десяти килоом.

Дмитрий Трунин