Физики поняли устройство заряженных полос в трителлуриде тербия

Физики поняли устройство заряженных полос в трителлуриде тербия
Автор: Игорь Иванов
Эксперимент американских физиков позволил наконец разобраться с устройством заряженных полос на поверхности трителлурида тербия (TbTe3). Этот эксперимент, возможно, несколько приблизит физиков к пониманию высокотемпературной сверхпроводимости.
Кристалл — это нечто большее, чем просто набор атомов, расположенных в виде правильной периодической решетки. Его лучше всего представлять себе как две взаимопроникающие компоненты — ионную и электронную. Положительно заряженные ионы (то есть атомы без внешних электронов) расположены в узлах кристаллической решетки, а сами внешние электроны уже не сидят рядом с «родительским» ионом, а размазаны по всему кристаллу (они «коллективизированы»). Ионная компонента определяет форму и механику кристалла, электронная компонента — его электрические и магнитные свойства.
Когда эти две компоненты взаимодействуют друг с другом, возникают новые эффекты. Один из самых красивых заключается в том, что некоторые кристаллы при температурах существенно ниже комнатной вдруг становятся полосатыми. Если взять атомарно гладкий скол такого кристалла и изучить его поверхность, то можно «увидеть», что ионы уже не сидят в узлах строго периодической кристаллической решетки, а группируются в полоски шириной в несколько атомных слоев (иными словами, образуется сверхрешетка). Из-за смещения ионов и электронов на поверхности возникают чередующиеся полоски положительного и отрицательного заряда — устойчивые волны зарядовой плотности.
Сам этот эффект известен и активно изучается уже не первый десяток лет (см. обзоры журнала УФН за 1976-й и 2004 год), но в последние годы интерес к нему вспыхнул с новой силой. Было обнаружено, что такие волны в слоистых веществах вида R-Te3 (трителлуридах), где R обозначает какой-нибудь редкоземельный металл, не совсем обычные, потому что они нарушают исходную симметрию кристаллической решетки. Сама решетка R-Te3 — квадратная, однако зарядовые волны получаются не в клетку, а в полоску.
В последнем выпуске журнала Physical Review Letters появилась статья исследователей из Стэнфордского университета, рассказывающая о серьезном прогрессе в изучении волны зарядовой плотности в соединении TbTe3 (трителлурид тербия). Эксперимент американцев дал ответы на некоторые вопросы об устройстве этого соединения, а также привел к обнаружению новых, не предсказанных ранее эффектов.
Для изучения поверхности TbTe3 авторы использовали сканирующий туннельный микроскоп (о методах атомарной микроскопии читайте в популярной статье Орбитали зондовой микроскопии). В двух словах, в этом микроскопе сверхострая игла располагается непосредственно вблизи поверхности, но не касается ее. Тем не менее за счет туннелирования электронов через иглу течет небольшой ток. Сила этого тока настолько чувствительна к расстоянию до ближайшего атома, что, медленно перемещая иглу над поверхностью, можно «ощупывать» отдельные атомы на поверхности.
На самом деле, в предыдущем предложении есть одна неточность. Сканирующий туннельный микроскоп «чувствует» не сами атомы, а электронную компоненту кристалла. Для нашей задачи это особенно удобно, потому что при этом можно разглядеть как сами ионы, так и отдельно от них волны зарядовой плотности.
Именно это и удалось сделать американцам. Важной составляющей их успеха была технология выращивания кристалла практически без дефектов, а также получение очень чистого скола (то есть с минимальным количеством микроскопических пылинок и прочей наногрязи). Это позволило просканировать довольно большие участки поверхности (размером около 100 × 100 атомов) и с очень высокой точностью выделить все периодические узоры.
На основе этого анализа американцы впервые с высокой точностью определили период волны зарядовой плотности в этом соединении, поставив точку в споре разных экспериментальных групп (дело в том, что предыдущие экспериментальные данные, полученные иными методами, допускали неоднозначную интерпретацию). Оказалось, что период волны вовсе не кратен шагу кристаллической решетки и вообще, скорее всего, не является с ним соразмерным. Более того, авторы делают вывод, что эта несоразмерность присутствует в широком диапазоне температур, от самых низких и вплоть до комнатной — это значит, что тепловые колебания решетки мало влияют на волны зарядовой плотности.
Эти результаты в целом подтверждают гипотезу теоретиков о том, что волны зарядовой плотности получаются из-за специфической формы поверхности Ферми, однако предстоит еще разобраться, насколько хорошо современные модели согласуются с этими новыми данными. Кроме того, ученые надеются, что, разобравшись с этим явлением, они смогут приблизиться к решению одной из главных загадок современной физики — высокотемпературной сверхпроводимости. Дело в том, что она тоже возникает из-за взаимодействия электронов и ионов, наблюдается в веществах со слоистой структурой и тоже сопровождается нарушением симметрии. Соединения вида R-Te3 послужат удобным «тренажером» для теоретиков, желающих понять природу высокотемпературной сверхпроводимости.

Источник: A. Fang et al. STM Studies of TbTe3: Evidence for a Fully Incommensurate Charge Density Wave // Physical Review Letters 99, 046401 (23 июля 2007 г.); статья доступна также в архиве е-принтов: cond-mat/0701470.