Как известно, истинными степенями свободы в конденсированном веществе являются коллективные колебания, квазичастицы: электроны, дырки, фононы, магноны, и т.д. Недавно семейство квазичастиц пополнилось: в работе [E.Saltoh et al, Nature, 410, 180 (2001)] были экспериментально обнаружены орбитоны, то есть волны деформации электронных облаков в орбитально ориентированных средах.

Конденсированное состояние вещества отличается от разреженного совершенно иным набором степеней. В разреженном веществе, например, в газе, имеет смысл говорить о движении отдельных молекул, слабо взаимодействующих друг с другом. В конденсированном веществе, скажем, в твердом теле, это не так. Из-за того, что движение атомов сильно скоррелировано, колебание одного атома влечет за собой колебание и соседей. В результате имеет смысл описывать внутренние степени свободы твердого тела не в терминах отдельных частиц, а в терминах коллективных колебаний. Элементарные возбуждения тех или иных коллективных колебаний, возникающие в квантовой теории, называются квазичастицами.

Чаще всего коллективные колебания выглядят как волны деформации той или иной физической величины, распространяющиеся в упорядоченном твердом теле. Так, скоррелированное смещение атомов из положений равновесия есть звуковая волна. Соответствующие ей квазичастицы называются фононами. Скоррелированное отклонение атомных спинов в магнитоупорядоченных средах от равновесного направление можно описать в терминах спиновых волн, которым отвечают квазичастицы магноны. В твердых телах могут существовать и многие иные квазичастицы.

В работе [E.Saltoh et al, Nature, 410, 180 (2001)] были экспериментально обнаружены орбитальные волны, то есть волны деформации электронных облаков в орбитально ориентированных средах.

Орбитальная ориентированность означает, что соседние атомы должны иметь строго одинаковую форму электронных оболочек, орбиталей. Кроме того, в то же время должна существовать степень свободы, позволяющая этим орбиталям свободно деформироваться. Это может быть достигнуто, если электронные уровни в многоэлектронном атоме или ионе вырождены. Тогда электрон может находиться в одном из вырожденных состояний, которые могут различаться по форме электронных облаков, но имеют одинаковую энергию. Если же несколько таких атомов объединить в кристалл, то при определенном межатомном взаимодействии электроны во всех атомах предпочтут выбрать одно и то же орбитальное состояние. В результате мы будем иметь дело с орбитально упорядоченным материалов.

В свете сказанного выше неудивительно, что в орбитально ориентированных средах могут существовать и волны орбитальной деформации (соответствующие квазичастицы называются орбитонами). Проблема заключалась лишь в том, где найти вещество в необходимыми свойствами. Теоретические расчеты, проведенные несколько лет назад, показали, что такими свойствами может обладать соединение LaMnO₃. В этом-то соединении и были найдены орбитальные волны.

Рис.1 Вид электронных облаков (а) в орбитально упорядоченном состоянии; b) в орбитальной волне

Ионы марганца Mn³⁺ в этом кристалле имеют 4 электрона на 3d орбитали. При этом из-за специфического потенциала кристаллической решетки, один из этих электронов находится на дважды вырожденном уровне. В равновесной ситуации этот электрон выбирает одно и то же состояние во всех ионах марганца (Рис. 1а). Однако при конечной температуре возможно рождение и орбитонов. Форма электронных облаков в такой волне показана на Рис.1б. Кроме того, возбудить орбитоны можно и внешним воздействием, например, световой волной. Именно так -- методами рамановской спектроскопии -- они и были обнаружены экспериментально.

На типичном спектре низкоэнергетические пики (ниже 0.1 эВ) ассоциировались с фононами, а высокоэнергетические были отождествлены с орбитонами. Отделение одних от других оказалось возможным в силу их различного поведения с температурой и разного отклика на изменение поляризации света. Кроме того, сравнение результатов эксперимента с предсказаниями полностью подтверждало орбитонное происхождение этих пиков.

Игорь Иванов