Физики поняли устройство заряженных полос в трителлуриде тербия

Сканирование довольно больших участков поверхности трителлурида тербия позволило в деталях изучить волны зарядовой плотности (изображение из обсуждаемой статьи)

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. внизу ссылки на обзоры из 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.

Схема возникновения зарядовых полос в одномерной цепочке. Если равномерное распределение ионов становится энергетически невыгодным, они собираются в широкие полоски. Здесь для простоты показан случай, когда период зарядовой волны ровно в 4 раза больше периода решетки. В реальных ситуациях кратность этих двух периодов часто не наблюдается (изображение из статьи С. В. Зайцев-Зотов, УФН, т. 174, стр. 585, июнь 2004 г.)

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.

Просканировав поверхность при разных напряжениях на туннельном микроскопе, можно отличить сами ионы (для удобства они показаны белыми точками на среднем изображении) от зарядовых полос. Красным показаны возвышения, а синим — впадины (изображение из обсуждаемой статьи)

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.

См. также популярные статьи о строении кристаллов:
1) Ю. Х. Векилов. Межатомное взаимодействие и электронная структура твердых тел // СОЖ, 1996, № 11, стр. 80–86.
2) Е. С. Ицкевич. Ферми-поверхности и аномалии электронных характеристик металлов под высоким давлением // СОЖ, 1997, № 10, стр. 118–125.

А также обзоры по веществам с волнами зарядовой плотности:
1) Л. Н. Булаевский. Структурные переходы с образованием волны зарядовой плотности в слоистых соединениях // УФН, т. 120, стр. 259, октябрь 1976 г.
2) С. В. Зайцев-Зотов. Размерные эффекты в квазиодномерных проводниках с волной зарядовой плотности // УФН, т. 174, стр. 585, июнь 2004 г.

Игорь Иванов