Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена теоретическому анализу возможностей исследования квантовых систем с сильными ее-корреляциями методом электронной импульсной спектроскопии (ЭИС). Информация о характере ее-корреляций в квантовых системах с кулоновским взаимодействием имеет фундаментальное значение как для решения проблемы нескольких тел, так и для описания электронной структуры конденсированного состояния вещества. Кроме того, в практических расчетах различных физических характеристик квантовых систем, особенно дифференциальных сечений многократных ионизационных процессов, требуются качественные волновые функции, которые корректно учитывают эффекты ее-корреляций. Поэтому развитие экспериментальных методов, позволяющих детально исследовать волновые функции квантовых систем с сильными ее-корреляциями, является актуальной задачей.
Одним из методов, в которых напрямую исследуются волновые функции квантовых систем с кулоновским взаимодействием, является ЭИС. В основе ЭИС лежит процесс квазиупругого выбивания электрона мишени быстрым электроном, или (е, 2е) реакция. Измерение на совпадение энергий и углов рассеянного и выбитого электронов позволяет в рамках импульсного приближения плоских волн (PWIA - plane-wave impulse approximation) определить импульсно-энергетическое распределение электронов мишени. В настоящее время методом ЭИС исследуются импульсно-энергетические распределения электронов в атомах, молекулах и твердых телах (тонких пленках).
Простейшая интерпретация данных ЭИС основывается на приближении одноэлектронных состояний в мишени. Согласно этому приближению, в энергетических спектрах должны наблюдаться линии, отве-
чающие энергиям одноэлектронных состояний, из которых выбивается электрон, а интенсивности этих линий в угловых спектрах пропорциональны абсолютным квадратам фурье-образов соответствующих одноэлектронных орбиталей. Учет ее-корреляций в мишени, как правило методом взаимодействия конфигураций (CI - configuration interaction) в атоме или по теории возмущений в твердом теле, предсказывает появление в энергетических спектрах ЭИС сателлитных линий, отвечающих незанятым орбиталям в приближении одноэлектронных состояний. Однако такой подход справедлив только в случае относительно слабых корреляций. В случае сильных корреляций приходится либо численно решать исходное уравнение Шрединтера, либо использовать вариационные функции, которые явно зависят от относительного положения электронов в мишени (так называемые корреляционные функции). Со-тветственно влияние сильных ее-корреляций в мишени на данные ЭИС может быть нетривиальным и не сводиться только к сателлитным линиям в энергетических (е,2е) спектрах. Таким образом, предсказание и анализ того, как сильные электронные корреляции в квантовых системах могут отражаться на характере спектров ЭИС, представляют собой важную задачу. Решение этой задачи может стимулировать соответствующие экспериментальные исследования на установках нового поколения, а также корректно интерпретировать данные этих исследований в пользу той или иной модели волновой функции квантовой системы.
Цель работы заключается в теоретическом анализе возможностей исследования квантовых систем с сильными ее-корреляциями методом ЭИС, а также в нахождении характерных осбенностей дифференциальных сечений метода ЭИС в зависимости от типа электронных корреляций в мишени.
Научная новизна: (1) Метод ЭИС рассмотрен как инструмент исследования сильных ее-корреляций в квантовых системах. Принципиально новым является такое рассмотрение для твердотельных систем. (2) Показана перспективность метода (е, Зе) ЭИС для прямого изучения парных корреляций электронов в атомах. При этом обнаружена чувствительность этого метода не только к радиальным корреляторам в волновой функции атома, но и, что существенно, к угловым. (3) Проведен сравнительный анализ метода (е, Зе) ЭИС и метода (7,2е), когда практически вся энергия фотона передается одному из эжектированных электронов, и показаны принципиальные преимущества метода (е, Зе) ЭИС для прямого изучения парных корреляций электронов в мишени. (4) Теоретически рассмотрено влияние антиферромагнетизма, обусловленного хаббардовскими корреляциями, и сверхпроводимости, обусловленной куперовскими корреляциями, на данные ЭИС тонких пленок и предсказаны соответствующие эффекты.
Практическая ценность работы определяется тем, что полученные в ней результаты могут быть использованы как в теоретическом анализе экспериментальных исследований квантовых систем с сильными ее-корреляциями методом ЭИС, так и в планировании таких исследований.
На защиту выносятся научные положения, являющиеся основными результатами диссертации:
-
Обоснован метод (е,3е) ЭИС для прямого изучения парных ее-корреляций в квантовых системах и показано его преимущество перед методом (7,2е), когда практически вся энергия фотона передается одному из эжектированных электронов.
-
Обнаружено, что угловые дифференциальные сечения процесса Не(е, 3 — 1е)Не2+ в кинематике ЭИС демонстрируют расщепление глав-
ного пика на два пика различной интенсивности, если в волновой функции атома явно присутствуют радиальные корреляторы. Для метода (е, Зе) ЭИС показано, что угловые корреляции заметным образом влияют на зависимость дифференциального сечения от угла вылета медленного эжектированного электрона, а эффекты радиальных корреляций проявляются в зависимости дифференциального сечения от угла вылета быстрых эжектируемых электронов.
-
Показано, что угловые дифференциальные сечения, отвечающие возбуждению иона гелия в методе ЭИС, чувствительны к радиальным корреляторам в волновой функции атома. Главный эффект радиальных корреляций заключается в расщеплении бинарного пика на два пика различной интенсивности.
-
Обнаружено, что влияние хаббардовских корреляций в недопиро-ванной фазе медных оксидов на интенсивность сигнала, измеряемого методом ЭИС, сводится к появлению сателлитного максимума в области больших значений импульса q в зоне Бриллюэна. Положение этого саттелита ответчает магнитной зоне Бриллюэна, а его интенсивность тем больше, чем больше величина связи в модели Хаббарда.
-
Характер куперовских корреляций в ВТСП-фазе медных оксидов заметно сказывается на относительном изменении величины сигнала ЭИС на поверхности Ферми при фазовом переходе металл-сверхпроводник. Обнаружена качественная разница между случаями s-, обобщенной s- и d-симметрии сверхпроводящей щели.
Апробация результатов. Результаты работы докладывались на международных научных конференциях: "Coincident Studies of Electron and Photon Impact Ionization" (Белфаст, Великобритания, 1996); XX ICPEAC (Вена, Австрия, 1997); "International Conference on Coincidence Spectroscopy" (Брест, Франция, 1998); XXI ICPEAC (Сендай, Япония,
1999); "Many-Particle Spectroscopy of Atoms, Molecules and Surfaces" (Галле, Германия, 2000).
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 103 страницы, включая 9 рисунков и список литературы из 91 наименования.
