Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время стремительно развивается физика сильно коррелированных электронных систем (СКЭС). Под СКЭС понимаются электронные системы с сильным .межэлектронным взаимодействием, приводящим к тому, что движение электронов и дырок нельзя рассматривать как свободное в рамках зонной теории. Такие ситуации встречались ранее в теории полупроводников, и были обусловлены электрон-фопонным взаимодействием и неупорядоченностью кристаллов. К наиболее часто исследуемым и представляющим практический интерес системам относятся СиОг
LS оксидах меди основной причиной корреляции в движении электронов является сильное кулоновское отталкивание на (і-оболочках меди. Это сильное отталкивание приводит, в частности, к тому, что при концентрации дырок п=1 на элементарную ячейку (по отношению к заполненным атомным орбиталям Cu(d10)O(p6)2) СиОг плоскости являются антпферромагнитными диэлектриками, а не металлами, как было бы для некоррелированного случая. Дополнительное легирование оксидов меди электронами или дырками, т.н. отклонение от половинного заполнения, создает сильно коррелированную систему носителей и локальных спинов с дальним или ближним антиферромагнитным порядком. Ннэкоэнергетнческпми возбуждениями в этих системах являются электроны или дырки (в зависимости от типа легирования) и спиновые возбуждения. Проблема описания структуры носителей заряда остается одной из центральных для высокотемпературных сверхпроводников на основе оксидов меди.
лі.її ш гральної- направление в теории СКЭС формулировка простых Гі.пїк пых (универсальных) моделей, опт ывающпх движение электронов, и изучение их свойств аналитическими и численными методами. К таким базисным моделям относятся модель Кондо, модель Андерсона, г-,1 модель и ряд других. Поведение электронов в рамках этих моделей обладает универсальными характеристиками.
\
Соотнесение свойств реальных веществ со свойствами базисных моделей не является тривиальной задачей и представляет несомненный научный интерес, как с точки зрения интерпретации уже имеющихся экспериментальных и теоретических результатов, так и предсказания новых.
Из зонных расчетов и спектроскопических данных для широкого класса медных оксидов следует, что трехзонная модель Хаббарда включает в себя наиболее важные электронные степени свободы СиОг плоскостей [1, 2]. Дальнодействующее кулоновское взаимодействие и электрон-фононное взаимодействие могут быть включены в нее. Однако трехзонная модель очень сложна и содержит несущественные в низкоэнергетическом пределе электронные переменные.
Ранее было показано, что в специальных предельных случаях, не имеющих отношения к реальным соединениям, трехзонная модель может быть формально редуцирована к универсальной t-J модели [3], которая описывает движение дырок (вакансий) и спиновую динамику. В случае точно половинного заполнения t-J модель эквивалентна модели Гейзенберга с антиферромагнитным знаком обмена [4, 5]. Это привело к постановке вопроса о возможности сведения трехзонной модели Хаббарда, включающей много параметров, к значительно более простой и физически более общей t-J модели [G] в широкой области параметров первой, т.е. без каких бы то ни было априорных предположений об их относительной малости. Сказанное выше обуславливает актуальность темы данной диссертационной работы.
Целью настоящего исследования является нахождение шпкоэнерге-тического предела трехзонной модели для электронных возбуждений в СиОг плоскостях оксидов меди, анализ общего подхода к ней, изучение структуры поправок и возможности пренебрежения ими, а также получение количественных значений параметров эффективной низ-коэнергетической модели.
Научная новизна работы заключается в решении поставленных задач.
а именно:
-
Построение последовательной схемы низкоэнергетической ре-лукгот в широкой области параметров трехзоннон модели беч предположений об их отікх тельной малости, и ее осуществление в области параметров, соответствующей реальным медно-океидным соединениям.
-
Отображение исходной модели в обобщенную t-.I модель, осуществленное в реалистическом диапазоне параметров.
-
Расчет наблюдаемых В ЭКСПерИМеНТе ВСЛПЧІТН- I *» уи^ ^ьа*.*1-»с-
-
Получение подробного описания оптического спектра СиОг системы при половинном заполнении (изолятор).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Последовательные преобразования исходной модели. Описание многоэлектронной системы в терминах локальных состояний с определенным числом частиц. При заполнении, близком к половинному, система представляет собой совокупность электронов (вакансий) или дырок (синглетов) на фоне локальных спинов, упорядоченных антиферромагнитно.
-
Обобщение универсальной t-.l модели. Структура поправок к t-.J модели, их относительная малость в широкой области параметров.
Л. Количественная связь между реальными параметрами трехтонной модели и параметрами ничктпгргешчоекоп t-.l моде ш.
1. Наблюдаемые в эксперименте величины, коїв талга суперобмена, диэлектрическая щель переноса заряда, энергия связи енн-глета Джанга-Райса и вакансии в экситон.
5. Область значений параметров универсальной ннзкоэнергетиче-
екой t-J модели для электронов п дырок в оксидах меди.
Научная и практическая значимость работы состоит в последовательном и детальном изучении трехзонной модели в наиболее полной ее формулировке в области параметров, имеющих отношение к реальным медноксидным соединениям. Предложенный формализм позволяет установить количественные границы применимости t-.I модели как низкоэнергетического предела трехзонной, и рассмотреть возможность учета более сложных членов в эффективной модели. Обосновано применение моделей t-J-типа для реальных СиОг плоскостей. Сочетание различных подходов дало возможность адекватно расчитать некоторые наблюдаемые величины (J и Еаор). С помощью их экспериментальных значений допустимая область эффективного параметра t/J была сильно сужена. Получено полноценное описание оптического спектра недопированных систем.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах в Институте физики полупроводников, на Международном семинаре по сильно коррелированным системам (Дубна, 1994 г.), на рабочем совещании по явлениям кроссовера в физике твердого тела (Турин, Италия, 1994 г.), Международной конференции по последним достижениям физики систем многих частиц (Грац, Австрия, 1994 г.), IV Международной конференции по материалам и механизмам сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводников (Гренобль, Франция, 1994 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х печатных работах, перечень которых приведен в конце х автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, трех приложений и списка литературы. Список литературы содержит 86 наименований. Объем диссертации составляет 100 страниц, в том числе 15 рисунков.
Похожие диссертации на Последовательное сведение трехзонной модели для электронов и дырок в оксидах меди к обобщенной t-J модели
