Новости науки 27.09.01. Сюрпризы мезоскопики - отрицательное
абсолютное сопротивление.
Напряжение прямо пропорционально току, протекающему
через образец, скажет любой мало-мальски знакомый с физикой человек. Люди
более осведомленные заметят, что ситуация может быть и не столь тривиальной:
при определенных условиях наблюдается отрицательное дифференциальное
сопротивление, т.е. при увеличении тока, потекающего через образец,
напряжение не растет, а падает. В совместной работе ученых из московского
института радиотехники и электроники и дельфтского университета сообщается о
еще более удивительном факте. При исследовании микроскопической динамики
волн зарядовой плотности в квазиодномерных проводниках наблюдалось
отрицательное абсолютное сопротивление - когда ток вырастал до определенной
величины, напряжение меняло знак!
Рис.1. Приклеенный к контактным площадкам (большие площадки
- токовые контакты) тонкий кристалл TaS3. На вставке
- увеличенное изображение 9 контактов для измерения напряжения на
участках микронной и субмикронной длины, ширина золотой контактной
полоски - 100 нм.
Квазиодномерные проводники - это анизотропные соединения, в которых
волновые функции электронов сильно перекрываются в одном направлении и
слабо - в двух других. Такие вещества можно рассматривать как совокупность
слабо связанных между собой цепочек атомов. При понижении температуры в
некоторых квазиодномерных соединениях имеет место переход Пайерлса:
проявлявшее металлические свойства вещество ниже температуры перехода
становится диэлектриком, что связано с образованием энергетической щели на
поверхности Ферми. Последнее обусловлено с возникновением в системе новой
периодической структуры: происходит периодическое перераспределение ионного
(малые периодические отклонения ионов от равновесного положения) и
электронного зарядов в системе - образуются так называемые волны зарядовой
плотности (ВЗП). При приложении электрического поля волны зарядовой
плотности могут перемещаться вдоль кристалла, однако присутствие дефектов
"привязывает" ВЗП к кристаллической решетке (схожий эффект - пиннинг вихрей
Абрикосова в сверхпроводниках), поэтому коллективный транспортный эффект -
движение ВЗП - наблюдается только когда поле превышает пороговое значение.
Рис.2. Вольт-амперная характеристика кристалла TaS3
с площадью поперечного сечения 0.5 мкм2, измеренная при
120 К для сегмента длиной 1 мкм.
В работе [1] исследовалась микроскопическая динамика ВЗП в
квазиодномерных соединениях NbSe3 и TaS3. На участках
микронной и субмикронной длины тонких проволок (площадь поперечного сечения
меньше квадратного микрона) из этих материалов четырехконтактным методом
проводилось измерение вольт-амперных характеристик (рис.1). При температурах
ниже температуры перехода Пайерлса и длине участка менее микрона
исследователи наблюдали необычное явление, а именно - при возрастании тока
напряжение не просто уменьшалось, но и меняло свой знак (рис.2)! В чем же причина столь необычного явления? Помимо конденсированных
электронов, занимающих область энергетического спектра "под щелью", в
системе существует некоторое число квазичастиц "над щелью". И ток в системе
связан не только с конденсироваными электронами (ВЗП), но и с
квазичастицами. Суммарный ток вдоль образца не меняется, однако на участках
микронной длины возможно увеличение или уменьшение величины тока,
обусловленного ВЗП и квазичастицами, связанное с изменением числа проводящих
цепочек в сечении проволоки, наличием протяженных дефектов и т.д. В
частности, может иметь место ситуация, когда ток, связанный с
квазичастицами, течет в противоположном суммарному току направлении.
Поскольку измеряемое падение напряжения связано именно с этой компонентой
тока, то оно на данном участке будет отрицательным.
1. H.S.J. van der Zant, E.Slot, S.V.Zaitsev-Zotov, S.N.Artemenko.
Phys.Rev.Lett. v.87, 126401 (2001).
|