Scientific.ru
Новости науки
27.03.03 cond-mat за 17-21 марта 2003 года: избранные статьи


Сильно коррелированные системы

cond-mat/0303364
Extended quantum critical phase in a magnetized spin-1/2 antiferromagnetic chain
Authors: M. B. Stone, D. H. Reich, C. Broholm, K. Lefmann, C. Rischel, C. P. Landee, M. M. Turnbull
Comments: 4 pages, 4 figures
Subj-class: Strongly Correlated Electrons

По-русски: Протяженная квантовая критическая фаза для спиновой антиферромагнитной цепочки во внешнем магнитном поле. Журналистский подзаголовок выглядел бы так: игрушка для теоретиков попалась экспериментаторам. С доисторических времен (1931) теоретикам известна точно решаемая модель - одномерная спиновая цепочка, с взаимодействием ближайших соседей (гамильтониан H=J sumn SnSn+1 - гамильтониан Гейзенберга-Изинга). Эта модель решается подстановкой Бете (или анзацем Бете). В эту модель можно ввести внешнее магнитное поле, тогда она уже не будет настолько точно решаемой, но все равно будет доступной для исследования (числено). Основной бедой этой модели было то, что в жизни одномерные цепочки встречаются редко. Ну, разве что, молекулы полимеров, но они не особенно магнитные. Но вот теперь появились вещества, кристаллы которых состоят как раз из слабо взаимодействующих одномерных цепочек. Очень удобные вещества, т.к. с кристаллами просто экспериментировать, вспомнить хотя бы успехи рентгеноструктурного анализа.

В данной статье анализируются кристаллы пиразин-динитрата меди Cu(C4H4N2)(NO3)2, которые как раз и состоят из невзаимодействующих (в смысле взаимодействия между спинами) между собой цепочек. Авторы исследуют это вещество методом неупругого рассеяния нейтронов, этот метод позволяет измерять спиновую коррфункцию. Показано что без внешнего магнитного поля результаты экспериментов совпадают с расчетами с помощью анзаца Бете, а с магнитным полем - вроде есть согласие с числеными расчетами.

cond-mat/0303314
Spin-dependent magnetoresistance and spin-charge separation in multiwall carbon nanotubes
Authors: X. Hoffer, Ch. Klinke, J.-M. Bonard, L. Gravier and J.- E. Wegrowe
Comments: 8 pages, 5 figures
Subj-class: Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect

По-русски: Магнетосопротивление, зависящее от спина, и разделение спина и заряда в многостенной углеродной нанотрубке Из глубины прошлого века пришла к нам теория ферми жидкости Ландау. Ее основная мораль -- взаимодействующие электроны в твердых телах можно описать как газ практически свободных квазичастиц, причем эти квазичастицы до боли напоминают исходные электроны, за исключением того, что у них перенормируется масса и заряд,а время жизни становится конечным. Однако, было замечено, что в одномерных системах теория ферми жидкости не работает, а вместо нее образуется новое состояние -- латтинжеровская жидкость(Luttinger liquid). Отличие латтинжеровской жидкости от обычной ферми-жидкости в своебразном поведении плотности состояний вблизи энергии Ферми. Вместо слабовзаимодействующих фермионов, квазичастицами в латтинжеровской жидкости служат слабовзаимодействующие бозоны -- спиноны и холоны, причем первые соответсвуют волнам спиновой плотности и не переносят заряда, а вторые - волны зарядовой плотности. Это и есть разделение спина и заряда(spin-charge separation).

Авторы экспериментируют с углеродными нанотрубками и видят в них проявления латтинжеровской жидкости - степенную особенность вольт-амперной характеристики при туннелировании в нанотрубку (вероятность туннелирования пропорциональна плотности состояний!), а также эффект от разделения спина и заряда - падение магнетосопротивления для спиново-поляризованного тока.

Неупорядоченные системы

cond-mat/0303339
Scanning Fourier Spectroscopy: A microwave analog study to image transmission paths in quantum dots
Authors: Y.-H. Kim, M. Barth, U. Kuhl, H.-J. Stoeckmann, J. P. Bird
Comments: 4 pages, 5 figures
Subj-class: Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect

По-русски: Сканирующая Фурье-спектроскопия: изучение путей прохождения электрона в квантовой точке с помощью модельного аналога - микроволновой полости Еще один пример использования аналогии между движением квантовомеханических электронов и распространением электромагнитных волн. На этот раз в эксперименте.

Электромагнитных волны оказались очень полезными для моделирования квантовомеханических эффектов в мезоскопике. Причин тому несколько. Во-первых, в отличие от электронов, у электромагнитных волн можно выбрать практически любую длину волны. А значит, для исследования не нужны сверхтехнологии и сверхдорогие микроскопы. Во-вторых, в отличие от загадочной и неизмеримой волновой функции электрона, можно измерять вполне классическую амплитуду и фазу электромагнитной волны. В-третьих, источник когерентного электромагнитного излучения стоит в обычной микроволновке, а чтобы температурные эффекты не замазывали когерентные эффекты для электронов, обычно нужны низкие температуры.

В экспериментах авторов квантовая точка моделируется полостью с микроволновым излучением. Эта полость открыта, т.е. по одному резонатору к ней подводится излучение, а по другому отводится. В этой полости измеряется "волновая функция" и "проводимость"(какая часть падающего излучения проходит в выходной резонатор). Дальше в полость вставляется поглотитель, и измеряется как изменяется "проводимость" полости в зависимости от частоты и положения поглотителя. Показано, что многие особенности волновой функции можно изучить просто перемещая поглотитель и измеряя проводимость. Зачем все это? Моделируется очень обычная ситуация при изучении настоящих квантовых точек. Там мы не можем измерить волновую функцию, но можем возить иглой сканирующего туннельного микроскопа по точке и смотреть, как меняется ее проводимость. Игла, в этом случае, аналогична поглотителю, поскольку электроны в нее туннелируют.

Мезоскопика

cond-mat/0303344
Heat transport in proximity structures
Authors: E. V. Bezuglyi, V. Vinokur
Comments: 4 pages, 4 figures
Subj-class: Superconductivity; Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect

По-русски: Тепловой транспорт в структурах с эффектом близости Обсуждаются эксперименты J. Eom, C.-J. Chien and V. Chandrasekhar, Phys. Rev. Lett. 81, 437 (1998) и D. Dikin, S. Jung and V. Chandrasekhar, Phys. Rev. B 65, 01251 (2001). В этих экспериментах можно было померять теплопроводность провода из нормального металла, кусок которого соприкасался со сверхпроводником. Из-за эффекта близости(proximity effect) в куске нормального металла, соприкасающемся со сверхпроводником, также наводится сверхпроводимость (для этого толщина провода должна быть гораздо меньше размера пары в сверхпроводнике).

Наведенную сверхпроводимость достаточно трудно заметить измеряя сопротивление провода, т.к. основная его часть находится в несверхпроводящем состоянии. В то же время при малых температурах должна сильно меняться теплопроводность. В самом деле, внутри сверхпроводящей щели в спектре нет носителей, а значит и тепло переносить некому. Поэтому теплопроводность должна резко падать при kT<<Delta (T - температура, Delta -сверхпроводящая щель). Для достаточно большой области с наведенной сверхпроводимостью (длина сверхпроводящего куска много больше типичного размера пары) зависимость теплопроводности от температуры была бы чем-то вроде Texp(-Delta/kT). Однако, оказывается, что в экспериментальных образцах ширина сверхпроводящей зоны не столь велика. В обозреваемой статье авторы разобрались, что же должно получаться на самом деле, оказалось, что в случае узкого куска теплопроводность должна падать с температурой только степенным образом, пропорционально T4.

Авторы разбираются еще с одной конфигурацией, в которой измеряется теплопроводность: с Андреевским интерферометром, подключенным к нормальному металлу. Имеется ввиду полупетля из сверхпроводника, через которую можно пропускать магнитное поле. В этом случае у теплопроводности появляются осцилляции, с периодом в квант потока.

Квантовый эффект Холла

cond-mat/0303428
Transition from an electron solid to the sequence of fractional quantum Hall states at very low Landau level filling factor
Authors: W. Pan, H.L. Stormer, D.C. Tsui, L.N. Pfeiffer, K.W. Baldwin, K.W. West
Subj-class: Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect
Journal-ref: PRL 88, 176802 (2002)

По-русски: Переход от электронного кристалла к жидкости дробного квантового эффекта Холла при очень маленьких числах заполнения уровня Ландау При малой концентрации электронов эффекты взаимодействия между ними становятся все более значительными. В конце концов выгодным становится упорядоченное размещение электронов, которое уменьшает эффекты взаимодействия (за счет фиксирования расстояния между электронами). Так образуется вигнеровский кристалл. Вигнеровский кристалл также оказывается выгодным при очень сильном магнитном поле, т.е. при слабо заполненом первом уровне Ландау. При КХЭ же электроны образуют нечто вроде несжимаемой жидкости.

Авторы изучают квантово-холловские образцы в сильном магнитном поле, в районе чисел заполнения 2/11, 2/13 и т.п. Оказывается, что пики в продольном сопротивлении образца, соответствующие этим числам заполнения, появляются только выше определенной температуры (порядка 100 милликельвинов). Авторы интерпретируют это как плавление вигнеровского кристалла с образованием квантово-холловской жидкости.

открытие? cond-mat/0303429
Fractional Quantum Hall Effect of Composite Fermions
Authors: W. Pan, H.L. Stormer, D.C. Tsui, L.N. Pfeiffer, K.W. Baldwin, K.W. West
Subj-class: Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect
Journal-ref: PRL 90, 016801 (2003)

По-русски: Дробный квантовый эффект Холла для композитных фермионов Известно что, дробный квантовый эффект Холла наблюдают для следующих серий чисел заполнения: nu=p/(2mp+-1), 1+p/(2mp+-1). Стандартная на данный момент теоретическая интерпретация этой серии чисел заполнения - модель композитных фермионов(КФ), в которой дробный эффект Холла для электронов объясняется как целочисленный КХЭ для электронов с приделаной трубкой с четным числом квантов магнитного потока, т.е. для чисел заполнения имеем: nu-1=p-1+2m. Удобно, что КФ получаются почти не взаимодействующими. Преобразование к композитным фермионам не совсем точное, а включает приближение, вроде теории среднего поля, при "размазывании" потока из трубки.

В обозреваемой статье авторы наблюдают квантовый эффект Холла при очень странных числах заполнения уровня Ландау: 4/11, 5/13, а также более слабые пики при 6/17, 4/13, 5/17, 7/11. Эти дроби не входят в стандартные серии, однако можно проверить, что они соответствуют дробному КХЭ для композитных фермионов, например (4/11)-1=(1+1/(1+2))-1+2, т.е. имеем КХЭ с числом заполнения 1+1/3 для КФ с двумя присобаченными квантами потока.

Естественный вопрос: "Почему такого не наблюдали раньше". А ответ на него - нужны очень чистые и хорошие образцы. В обычных образцах необычные пики практически не видны.

Авторы полагают, что такой "дробный эффект 2-го порядка" появляется из-за упомянутой неточности преобразования к КФ, которое не полностью убирает взаимодействие и еще "трохи для себе" остается на эффект 2-го порядка.

Новый эффект? cond-mat/0303394
Long Range Coherent Manipulation of Nuclear Spins in Quantum Hall Ferromagnet
Authors: T.Maniv, Yu. A. Bychkov, I.D. Vagner
Comments: 7 pages, 1 figure
Subj-class: Mesoscopic Systems and Quantum Hall Effect

По-русски: Когерентное управление большим количеством ядерных спинов в квантовохолловском ферромагнетике В статье показывают, как можно устроить управление большим количеством ядерных спинов через воздействие на электронную подсистему. "Квантовым компьютером пахнет",-скажет почти любой продвинутый читатель. Действительно, пахнет, но авторы не уверены, что получится что-то новое для квантового компьютера (т.е. что эффекты декогеренции будут маленькими). Зато уверены что нашли интересный эффект и предлагают поискать его в эксперименте.

Квантовый эффект Холла здесь очень даже важен, дело в том что состояние с заполненым первым уровнем Ландау оказывается ферромагнитным, при этом возникает нетривиальное спиновое упорядочение - решетка скирмионов (скирмионы, конечно, пришли из ядерной физики, их применение в ЯФ уже обсуждалось на scientific.ru; впрочем, скирмионы можно устроить для чего угодно с симметрией, вроде SU(2)). Скирмионы не разрушаются сразу при слабом изменении заполнения уровня Ландау, однако их картинка перестраивается. Изменяя заполнение уровня можно, т.о. манипулировать спиновой текстурой. Спины электронов взаимодействуют со спинами ядер (сверхтонкое взаимодействие), поэтому можно устроить и управление спинами ядер.

ДНК, полимеры и пр.

закрытие? cond-mat/0303240
Dipole relaxation losses in DNA
Authors: M. Briman, N.P. Armitage, E. Helgren, and G. Gruner
Comments: 4 pages, 3 figures
Subj-class: Disordered Systems and Neural Networks; Soft Condensed Matter

По-русски: Потери на дипольную релаксацию в ДНК О читатель, помни что химическая физика работает с плохими веществами плохими методами! Многие сейчас измеряют электрические свойства молекул ДНК, многие и результаты получаются, причем никак почти не согласованные друг с другом. До сих пор непонятно, является ли ДНК металлом, изолятором, полупроводником или даже сверхпроводником (правда, с индуцированной сверхпроводимостью). На каждую точку зрения есть статья в Nature:
H.W. Fink and Shonenberger, Nature 398,407(1999) металл
D.Porath et al., Nature 403,635(2000) полупроводник
E. Braun et al., Nature 391, 775(1998) изолятор
A.Y. Kasumov et al., Science 291,280 (2001) сверхпроводник

Автор этой статьи считает, что ДНК изолятор. Однако, остается вопрос про аномально низкое сопротивление ДНК переменному току. Это сопротивление можно измерить весьма чистыми методами, поскольку не обязательно присоединять к молекуле электроды, можно просто измерить поглощение электромагнитного излучения.

Автор экспериментирует и показывает, что аномальное сопротивление переменному току можно объяснить без привлечения электрических свойств ДНК вообще: просто диэлектрическими потерями в прилипшем к молекуле слое воды.

Методология и чистая теория

cond-mat/0303392
Polariton condensation and lasing in optical microcavities - the decoherence driven crossover
Authors: M. H. Szymanska, P. B. Littlewood, B. D. Simons
Comments: 17 pages, 8 figures, submitted to PRA

По-русски: Управляемый декогеренцией переход между поляритонным конденсатом и лазерным режимом в оптических микрополостях. Лазеры на оптических микрополостях, кажись, сейчас весьма популярны в оптике. У большого лазера расстояние между модами резонатора очень невелико и часто меньше ширины уровня излучающих атомов, излучение тогда содержит несколько мод резонатора. У оптической же микрополости расстояние между модами резонатора весьма велико, так что всегда имеет смысл рассматривать только одну моду. Поэтому различные эффекты уширения атомных линий не важны для когерентности излучения лазера на микрополости. Любимая цель оптических экспериментов с микрополостями - постройка лазера на отдельных атомах. Однако, это для авторов статьи не интересно.

Авторы рассматривают оптическую микрополость набитую двухуровневыми атомами. Естественно, из такой конструкции можно устроить лазер, но такая перспектива не слишком интересна для зубров Кембриджа и девушки оттуда же. Гораздо более интересно, что при большом числе фотонов и двухуровневых атомов образуются связанные состояния фотонов с возбуждениями атомов - поляритоны. Поляритоны могут конденсироваться Бозе-Эйнштейновской конденсацией. Оказывается, что описание системы поляритонов очень напоминает описание сверхпроводника в теории БКШ, при этом роль сверхпроводящего параметра порядка играет плотность фотонов (эту аналогию, как честно отмечают авторы, придумали отнюдь не они, а Л.В. Келдыш в 1965 году). Авторы показывают дальше, что декогеренция действует на систему из атомов и фотонов так же, как примеси на сверхпроводник. При этом удается различить "хорошую" и "плохую" декогеренцию по аналогии с немагнитными (не разрушающими сверхпроводимость) и магнитными примесями в сверхпроводнике. Строится фазовая диаграма системы (параметры: мощность накачки и скорость декогеренции). Получается что-то такого типа: слабая декогеренция - конденсат поляритонов; сильная декогеренция, сильная накачка - лазерный режим; сильная декогеренция, слабая накачка - затухание; промежуточная декогеренция - еще один интересный режим, аналог бесщелевой сверхпроводимости, рассмотреной некогда Абрикосовым и Горьковым.

cond-mat/0303413
Non-Markovian Stochastic Resonance
Authors: Igor Goychuk, Peter Hanggi
Comments: 4 pages, 1 figure
Subj-class: Statistical Mechanics; Biological Physics

По-русски: Немарковский стохастический резонанс. Не буду отвлекаться на описание обычного стохастического резонанса, т.к. Игорь Иванов подробно разъяснил это явление школьникам и другому человечеству. В обозреваемой статье, как и обычно в стохастическом резонансе, рассматривается бистабильная система, которая время от времени перебрасывается из одного состояния в другое каким-нибудь стохастическим процессом. Обычно предполагается, что процесс переброски из одного состояния в другое - марковский, простейший из марковских процессов приводит к экспоненциальному распределению времен жизни системы в каждом из стабильных состояний P(t)=(1/tср) exp(-t/tср), нетрудно показать, что общий вид Марковского процесса тоже приводит к экспоненциальной асимптотике P(t). Авторов же интересует ситуация, когда P(t) имеет более интересный вид, например, случай степенного распределения P(t) =k/(1+t)a, а это распределение знаменито тем, что у него не определена (расходится) дисперсия. Такие распределения весьма важны: распределение времен ожидания землетрясений, распределение времен открытости натриевых каналов в нервном волокне описываются степенными законами (видимо, сооблазнительно по аналогии со знаменитым проявлением стохастического резонанса в синхронизации продолжительностей ледниковых периодов, посмотреть на влияние слабых периодических воздействий на интервалы между землетрясениями).

Написано отношение сигнал-шум для немарковского процесса. По сравнению с обычным стохастическим резонансом, усиление больше задавлено на низких частотах.

обзор cond-mat/0303289
Grain Boundary Scars and Spherical Crystallography
Authors: A.R. Bausch, M.J. Bowick, A. Cacciuto, A.D. Dinsmore, M.F. Hsu, D.R. Nelson, M.G. Nikolaides, A. Travesset, D.A. Weitz
Comments: 4 pages, 3 eps figs (high quality images available from Mark Bowick)
Subj-class: Soft Condensed Matter; Statistical Mechanics
Journal-ref: Science 299 (2003) 1716

По-русски: Рубцы на границах зерен (или правильно гранул?) и сферическая кристаллография

cond-mat/0303353

Topology from the Bottom Up
Authors: Randall D. Kamien
Subj-class: Soft Condensed Matter
Journal-ref: Science 299 (2003) 1671
Perspective on cond-mat/0303289

По-русски: Как строить топологию снизу вверх Статья в Science и предисловие к ней. Поскольку обозревать обзоры обзоров уж слишком, я только вкратце скажу о чем речь. В основной статье экспериментально исследуется упорядочение коллоидных частиц в кристалл на капле воды в масле. От топологии в основном используется эйлерова характеристика.

Некоторые общие замечания:
У меня пока не получается придумать свою удачную классификацию, поэтому я буду пользоваться классификацией придуманой Акакием Меликидзе в Net Advances of Physics

Ю. Адамов

Обсудить на форуме


На главную страницу