Наноструктуры на службе у фундаментальной физики

Многие материалы с сильными электронными корреляциями являются неоднородными: в них спонтанно формируются области с совсем разными особенностями (к примеру, диэлектрические и железные). Это значительно затрудняет (либо кроме того делает неосуществимым) определение микроскопических черт таких материалов, потому, что результаты измерения содержат данные, усредненную по всему макроскопическому примеру. Выход напрашивается сам собой: необходимо изучить наноразмерные образцы

Как раз так и поступили сотрудники University of Washington, Seattle (США) при изучении перехода металл-диэлектрик в двуокиси ванадия [1]. Применяя оптическую микроскопию, они поняли, что при нагревании диэлектрического бруска VO2 до температуры 68оС в нем появляется железный домен, что с ростом температуры возрастает в размерах и при T = 105оС захватывает целый пример (см. рис.).

Наноструктуры на службе у фундаментальной физикиПереход нанобруска VO2 в железное состояние при нагревании. 1 – диэлектрический нанобрусок; 2 – железная фаза занимает половину примера; 3 – целый наобрусок будет в железном состоянии. Нанобрусок имеет длину ~ 100 мкм и прямоугольное поперечное сечение ? 15 х 50 нм2

Измеряя удельное электросопротивление ? разных участков нанобруска, авторы [1] установили, что, во-первых, при T < 68оС температурная зависимость ?, как и положено диэлектрику, имеет термоактивированный вид (ширина запрещенной территории Eg = 0.6 эВ), а во-вторых, в пределах экспериментальной погрешности ?(T)=const при 68оС < T < 105оС (в области сосуществования диэлектрической и железной фаз), другими словами остается неизменной концентрация свободных носителей. Из этого в [1] сделан вывод, что “движущей силой” перехода металл-диэлектрик в VO2 есть локальное отталкивание между электронами, как при моттовском переходе, что происходит, в то время, когда экранирование (определяемое концентрацией носителей) достигает определенного уровня (до этот поры в литературе соперничали два механизма диэлектризации VO2: моттовский и электрон-решеточный).

Еще один занимательный итог был взят при понижении температуры: оказалось, что имеет место эффект сильного “переохлаждения” железного состояния, и диэлектрическая фаза появляется лишь при T = 55оС, другими словами на 50оС ниже температуры ее полного исчезновения при нагревании. Так, изучение нанообразцов оказывает помощь не только лучше разобраться в особенностях объемных материалов, но и отыскать что-то новое. На этом пути нас ожидает, возможно, еще много сюрпризов.

Было бы весьма интересно применить подобный подход и к вторым сильнокоррелированным совокупностям, к примеру, к высокотемпературным сверхпроводникам.

Л. Опенов

  • 1. J.Wei et al., Nature Nanotechnol. 4, 420 (2009)

Вся Правда о боевом русском лазере

Статьи, которые будут Вам интересны: