Введение к работе
Актуальность темы. Изучение кинетических коэффициентов, описывающих процессы переноса тепла в твердом теле, является важным видом транспортных намерений, дающим информацию как о характерных энергиях частиц, составляющих систему, так и об особенностях их рассеяния. В то же время интерпретация таких иомерении затруднена непроработанностью теории переноса тепла в системах взаимодействующих частиц. Основные подходы к проблеме корректного описания теплопе-реяоса в системах со взаимодействием бьки сформулированы еще в 60-х и 70-х годах, и в частности, указывалось на необходимость учета эффектов взаимодействия в операторе потока тепла взаимодействующих электронов, построение которого лежит в основе теории явлений теплопереноса. С другой стороны, до настоящего времени не был сформулирован общий способ вычисления кинетических коэффициентов, описывающих перенос тепла в системах с различными видами межчастичного взаимодействия. В итоге результаты теоретических расчетов противоречат друг другу, и как следствие, экспериментаторы сталкиваются с трудностями при интерпретации экспериментальных данных. Наибольшие затруднения вызывает при этом изучение термоэлектрического эффекта, компенсационная природа которого приводит к тому, что эффекты взаимодействия играют важнейшую роль в операторе потока тепла в таких задачах, определяя порядок величины и, зачастую, знак эффекта. Таким образом, актуальность темы работы обусловлена, с одной стороны, фундаментальным характером решаемых проблем, а с другой стороны - потребностями экспериментальной физики. В свете этого, общий метод вычисления кинетических коэффициентов, развитый в работе, прилагается к системам, активно изучаемым как теоретически, так и экспериментально в последнее десятилетие: неупорядоченные и низкораэмерные проводники, квазидвумерные (в т.ч. высокотемпературные) сверхпроводники, электронный газ в режиме квантового эффекта Холла, квазикристаллы.
Цель работы.
Целью работы является построение последовательной микроскопической теории термоэлектрического эффекта и переноса тепла в электронных системах с различными видами межчастичных взаимодействий. Для этой цели сформулирован обший подход к проблеме, основанный на строгом учете поправок от электрон-
электронного, элехтрон-примесного, электрон-фононного и других видов взаимодействий в микроскопическом лагранжиане системы. Далее этот универсальный подход использован при исследовании кинетических явлений, связанных с переносом тепла, в различных физических системах.
Научная новиона.
В работе сформулирован общий микроскопический метод расчета теплопроводности и термоэлектрического коэффициента в системах с различными видами межчастичного взаимодействия. На его основе проведено систематическое исследование особенностей переноса тепла в различных электронных системах, включая: примесный нормальный металл при низких температурах в условиях интерференции взаимодействий (межэлехтроняого и элехтрон-примесного, а также электрон-фононного и элехтрон-примесного); хвазидвумерный нормальный металл во флухтуационвой области на пороге перехода в сверхпроводящее состояние; слоистый сверхпроводник в мейсснеровской фазе и вблизи перехода Береоинсхого-Костерлица-Таулесса; двумерный металл в режиме квантового эффекта Холла; квазихристалл; высокотемпературный сверхпроводник в нормальном и сверхпроводящем состоянии.
Положеній, выносимые но защиту:
1) В электронных системах со взаимодействием поправки к оператору потока тепла, обусловленные электрон-электронным, эяектрон-фононным и электрон-примесным взаимодействием, играют существенную роль при вычислении'теплопроводности и термоэлектрического коэффициента. Корректная форма оператора потока тепла с учетом эффектов взаимодействия дает возможность использования формализма Кубо при вычисления кинетических коэффициентов термоэдс и теплопроводности.
-
В примесном металле при низких температурах интерференция элехтрон-влехтронвого и элехтрон-примесного взаимодействий вносит заметный вклад в коэффициенты теплопроводности и термоэдс, приводя х нетривиальным зависимостям от температуры и длины свободного пробега электронов; в сильном электрическом поле происходит подавление найденных поправок к термоэдс, что приводит х появлению своеобразного нелинейного термоэлектрического эффекта.
-
Основным процессом, влияющим на величину термоэдс фононного увлече-
ния в металлах, является неупругое рассеяние электронов на примесях с испусканием или поглощением фонона. За счет этих процессов термоэдс фононного увлечения при низких температурах подавляется незначительной концентрацией примеси.
-
На пороге перехода из нормального в сверхпроводящее состояние основной флуктуационный вклад в термоэлектрический коэффициент квазидвумерното сверхпроводника как в слое, так и поперек слоев связан с флуктуационной перенормировкой одноэлектронной плотности состояний; этот вклад имеет в двумерном случае слабую (логарифмическую) сингулярность по степени близости к температуре перехода и вызывает понижение абсолютной величины термоэдс па пороге перехода.'
-
В хвазидвумерном сверхпроводнике возможны два вида термоэлектрических эффектов. Первый связан с пространственной анизотропией и приводит при приложении градиента температуры к возникновению магнитного поля, пропорционального анизотропии коэффициента Зеебека материала в нормальном состоянии. Второй эффект возникает вблизи перехода Береэинского-Костерлица-Таулесса и приводит к конечной величине термоэдс ниже термоди-. намической температуры сверхпроводящего перехода.
-
Анализ экспериментальных данных по термоэдс и теплопроводности высокотемпературных сверхпроводников показывает возможность последовательного объяснения этих данных в рамках теории ферми-жидкости с учетом эффектов межчастичного взаимодействия. Так, термоэдс обусловлена процессами электрон-фонон-примесной интерференции, а теплопроводность (как в нормальном, так и сверхпроводящем состояния) - в основном процессами фонон-олектронного рассеяния.
-
Эффекты взаимодействия оказывают существенное влияние на свойства двумерного электронного газа в квантующем магнитном попе. Электрон-примесное и электрон-фононное взаимодействие приводят к появлению в диагональных и недиагональных компонентах тензоров термоэдс и теплопроводности поправок, характеризующихся нетривиальными зависимостями от температуры и магнитного поля.
-
Необычно большая величина и сильная температурная зависимость термоэдс квазикристаллических фаз обусловлены-особенностями электронного рассеяния в модели мультикомпонентной поверхности Ферми с учетом примесного беспорядка и температурных эффектов.
Научная и практическая ценность.
Практическая ценность диссертационной работы йахлючается в том, что она вносит вклад в развитие теории нормальных металлов и сверхпроводников, описывает многочисленные свойства, связанные с переносом тепла в твердвых телах, и делает ряд конкретных предсказаний о свойствах металлических систем.
Вклад соискателя.
Автор диссертации сформулировал общую концепцию научного направления. Результаты описанных в диссертации исследований автора опубликованы в 1990 - 1997 годах в работах [1-27], список которых приведен в конце автореферата. В работах [1-11,18,19,21,23,26], выполненных в соавторстве с А.А.Варламовым, М.Ю.Рейоером, А.В.Сергеевым и др., автор принимал участие в постановке задачи, вычислениях и анализе полученных результатов; в работах [14,15], выполненных в соавторстве с экспериментаторами, автору принадлежит теоретическая часть и интерпретация экспериментальных данных; в работах [12,13,17,20, 22,25] автору принадлежит постановка задачи и участие в расчетах; работы [16,27] выполнены без соавторов.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на многих конференциях, совещаниях, семинарах и симпозиумах, среди которых: Всесоюоные совещания по физике низких температур (Донецк 1990, Казань 1992); Международные конференции по физике низких температур (LT-19 Англия 1990, LT-20 США 1993, LT-211 Чехия 1996); 19-я Международная конференция по фононам в твердых телах (США 1993); Международные симпозиумы по проблеме высокотемпературной сверхпроводимости (M2S-III Япония 1992, M2S-IV Франция 1994, M'S-V Китай 1996); Итальянские симпозиумы по проблеме высокотемпературной сверхпроводимости (SATT-7 1994, SATT-8 1996); Международные конференции "Флуктуанионные эффекты в высокотемпературных сверхпроводниках'' (Италия 1996); л также ряде других конференций и семинаров в МИСИС, МГУ, ФИАН, РНЦ "Курчатовский Институт", ИФП, ИФТТ, II Римском Университете и пр. Основной материал диссертации опубликован в 27 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. .
