Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Исследование фазовых переходов и сверхтекучести в системах связанных квантовых ям

Диссертация: Исследование фазовых переходов и сверхтекучести в системах связанных квантовых ям
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Экситонная фаза стабильнее лафлиновских состояний электронов и дырок при факторе заполнения V если В < Бсг = гя (^ — 2&), где к — коэффициент в лафлиновской энергии активации. При температурах ниже температуры Костерлица-Таулесса можно наблюдать появление незатухающих токов в каждой квантовой яме. Мы показали, что в сверхсильных магнитных полях система непрямых магнитоэкситонов при фиксированных… Читать ещё >

Содержание

  • Введение
    • 1. 1. Физические свойства системы двух квантовых ям
    • 1. 2. Двумерная электрон-дырочная система в магнитном поле
    • 1. 3. Электрон-дырочная система в сверхрешетках и слоистых системах
  • 2. Фазовые переходы в системе пространственно — разделенных электронов и дырок
    • 2. 1. Гамильтониан системы. Приближение Хартри-Фока
    • 2. 2. Учет корреляционных эффектов
    • 2. 3. Вариационный расчет
    • 2. 4. Спектры возбуждений в системе двух связанных квантовых
    • 2. 5. Разреженная система экситонов в двухслойной структуре
    • 2. 6. Квантовый переход газ- жидкость в двухслойной экситонной системе
    • 2. 7. Переход в сверхтекучее состояние и сверхтекучие фазы двухслойной экситонной системы
    • 2. 8. Переход Мотта в двухслойной е-Ь системе
  • 3. Квантовая кристаллизация двумерных дипольных систем
    • 3. 1. ВЗП в двухслойной системе. Приближение Хартри- Фока
    • 3. 2. Кристаллизация электронов в полупроводнике вблизи границы с металлом
    • 3. 3. Анализ результатов расчета. Фазовые диаграммы
  • 4. Фазовые переходы в электрон-дырочной и несбалансированной электронной системах в связанных квантовых ямах в сильных магнитных полях
    • 4. 1. Изолированный магнитоэкситон в системе пространственно-разделенных электронов и дырок
    • 4. 2. Спектр коллективных возбуждений
    • 4. 3. Плотность сверхтекучей компоненты
    • 4. 4. Переход в сверхтекучее состояние
      • 4. 4. 1. Температура Костерлица-Таулесса
      • 4. 4. 2. ! Проблема больших магнитных импульсов
    • 4. 5. Термодинамика и уравнение состояния системы при высоких температуры
    • 4. 6. Область существования магнитоэкситонной фазы
      • 4. 6. 1. Ионизация магнитоэкситонов в квазиклассической области
      • 4. 6. 2. Квантовый переход в двухслойное лафлиновское состояние
    • 4. 7. Фазовые переходы в' плотной системе
    • 4. 8. Магнитоэкситоны в несбалансированной двухслойной электронной системе
    • 4. 9. Фазовая диаграмма системы
  • 5. Сверхтекучесть непрямых биэкситонов в сверхрешетках
    • 5. 1. Неустойчивость системы непрямых экситонов
    • 5. 2. Радиус и энергия связи непрямого биэкситона
    • 5. 3. Коллективные свойства и сверхтекучесть непрямых биэкситонов

Исследование фазовых переходов и сверхтекучести в системах связанных квантовых ям (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Развитие технологии делает возможным создание все более сложных неоднородных электрон-дырочных систем (сверхтонких пленок, квантовых ям, квантовых точек, сверхрешеток). Интерес к подобным структурам связан с богатством их физических свойств [1]- [7], находящих применение, в частности, в микроэлектронике и оптоэлектронике [8].

В последнее время значительный интерес вызывают квазидвумерные электронно-дырочные системы в квантовых ямах и сверхрешетках [9] - [20], в частности, в связи с предсказанной в них сверхтекучестью е-Ь пар, проявляющейся в существовании незатухающих электрических токов [1]- [б]. В этих системах также предсказаны интересные квазиджозефсоновские явления [21] - [24]. В этих системах могут проявляться также интересные эффекты увлечения квазичастиц одного слоя квазичастицами другого [25].

Изучению двумерных структур в последнее время уделяется большое внимание. Это, в частности, обусловлено тем, что развитые к настоящему времени технологические методы дают возможность получать образцы с заранее заданными параметрами. Одним из этих методов является метод молекулярно-лучевой эпитаксии, с помощью которого выращивают различные полупроводниковые структуры, в том числе и так называемые двойные квантовые ямы. Двойная квантовая яма представляет из себя, в простейшем случае, пять полупроводниковых слоев, расположенных один над другим. Два крайних слоя в такой структуре и центральный слой служат потенциальными барьерами для квазичастиц (электронов, дырок, экситонов), находящимся в двух промежуточных слоях (квантовых ямах). Примером такого рода двойной квантовой ямы является структура (УаАз/А1хСа, 1х/ОаАв. Для того, чтобы движение квазичастиц в яме можно было считать двумерным, расстояние между уравнями поперечного квантования должно быть больше всех характерных энергий данной задачи. Обычно это условие выполнено, если толщина слоев СаАв порядка 10 нм. С помощью двойных квантовых ям, таким образом, можно изучать явления в двумерных пространственно-разделенных системах.

В дальнейшем, промежуточным слоям (квантовым ямам) будут приписываться буквы, А и В, а толщину барьерного слоя между пленками обозначим В. Диэлектрическая проницаемость € для упрощения будет полагаться всюду одинаковой, что приближенно соответствует анализируемой экспериментальной ситуации. Если расстояние между пленками В порядка 10 — 100 нм, то квазичастицы в разных слоях могут достаточно сильно взаимодействовать друг с другом. Это особенно ярко проявляется в транспортных эффектах.

Рассмотрена следующая модель. В одном из слоев (В) имеются избыточные электроны (е), в другом (А) — дырки (Ь.) (для двухслойной электронной системы в обоих пленках имеются только избыточные электроны.

Экспериментальные исследования двухслойной е-Ь системы в структуре из двух связанных квантовых ям были выполнены недавно в очень интересных работах [9] - [19]. В [9] был обнаружен заметный рост коэффициента диффузии в системе с понижением температуры, свидетельствующий, по-видимому, о появлении сверхтекучести в системе.

Система с пространственно-разделенными электронами (е) и дырками (Ь.) представляет особый интерес в связи с предсказанными аномальными транспортными свойствами при низких температурах. Эти аномальные свойства связаны с возникновением в системе бозе-конденсата из пространственно-разделенных е-Ь пар [1]-[6], а также с существованием в системе лишь неоднородных токовых состояний, обусловленных туннели-рованием между еиЬ слоями и связанной с ним фиксацией фазы параметра порядка [5].

Литературный обзор представляет из себя две части, в первой обсуждаются литература, связанная с физическими свойствами электронов и дырок в системах связанных квантовых ям без магнитного поля, во второй части рассматриваются работы, в которых проводится анализ влияния магнитного поля на свойства электронов и дырок в связанных квантовых ямах.

Отметим, что все энергии и температуры на всех графиках в Шу^] ]{у* = Все длины выражены в единицах а^ =.

6 Заключение.

1. Показано, что энергия связи экситонной жидкости уменьшается с ростом D. минимумы становятся более пологими, равновесные концентрации nnq (D) уменьшаются. При D < Dm = 1.1 энергия жидкой фазы больше энергии: Е{0) изолированного экситона с пространственноразделенными е и h, т. е. в этой области D стабильной фазой является экситонная жидкость, а метастабильной — экситонный газ. При D = Dm «1.1 энергия связи экситонной жидкости сравнивается с энергией изолированного экситона, и в этой точке при изменении D происходит скачкообразный квантовый фазовый переход экситонная жидкость — экситонный газ. Однако, в узкой области Dm < D < Dcr (Dcr = 1.9, Dm = 1.1) минимум, соответствующий экситонной жидкой фазе, еще существует, т. е. жидкая фаза остается метастабильной. При больших D (D > 1.9) жидкая фаза абсолютно неустойчива и стабильной является лишь газовая фаза, в которой плотность экситонов определяется лишь внешними условиями. В последнем случае возможны любые режимы — от разреженного бозегаза до плотной экситонной фазы типа БКШ.

2. Температуры фазового перехода Костерлица-Таулесса в сверхтекучее состояние в системе-пространственно-разделенных электронов и дырок заметно падает с ростом расстояния между ямами D и уменьшением концентрации экситонов.

3. В анизотропном случае с увеличением концентрации происходит квантовый переход Мотта металлдиэлектрик.

4. Получены пороговые области существования электронных и дырочных ВЗП для системы с пространственно-разделенными электронами и дырками в пространстве параметров T—n — D (температура-концентрация-расстояние между слоями). Найдены области сфазированности (существования экситонного кристалла) и независимости ВЗП в разных слоях в пространстве параметров Т — п — D (температура-концентрация-расстояние между слоями).

5. Для двумерной электронной системы с учетом сил изображения, образующейся в полупроводнике вблизи от границы с металлом, при условии, А = 0 происходит плавление электронной ВЗП. Кристаллизация в двухслойной системе происходит в узкой области концентраций пс{((1) < п < п^оГ) и квантовое плавление кристалла (за счет «нулевых колебаний») происходит в двух точках пс{(й) и ^((Г).

6. Показано, что при фиксированной плотности экситонов пех температура Костерлица-Таулесса Тс появления сверхтекучести магнитоэкситонов убывает с ростом магнитного поля как Н~5 (при Б ~ г#). Но максимальная Тс (соответствующая максимальной плотности магнитоэкситонов) увеличивается с ростом Н в сильных магнитных полях как Т™ах (Н, В) ~ л/Н (при Б ~ гя).

7. Экситонная фаза стабильнее лафлиновских состояний электронов и дырок при факторе заполнения V если В < Бсг = гя (^ — 2&), где к — коэффициент в лафлиновской энергии активации. При температурах ниже температуры Костерлица-Таулесса можно наблюдать появление незатухающих токов в каждой квантовой яме. Мы показали, что в сверхсильных магнитных полях система непрямых магнитоэкситонов при фиксированных Т обладает статистическими свойствами почти идеального газа. Мы обсуждаем также квантовый переход в лафлиновское состояние. Мы вычислили характерную температуру перехода метал л-диэлектрик и установили, что она увеличивается с ростом магнитногополя и убывает с увеличением расстояния между ямами.

8. При малых расстояниях между слоями Б ~ гя температура перехода Костерлица-Таулесса в сверхтекучее состояние в плотной системе убывает с ростом магнитного поля как Н~1//6 вследствие увеличения магнитной массы непрямого экситона.

9. Установлена неустойчивость системы взаимодействующих квазидвумерных непрямых экситонов в сверхрешетке второго рода конечной толщины при малых импульсах вследствие притяжения противоположно направленных диполей экситонов в соседних слоях. Устойчивой является система непрямых квазидвумерных биэкситонов, образуемых непрямыми эк-ситонами с противоположно направленными дипольными моментами. Вычислены радиус и энергия связи непрямых биэкситонов. Рассматривается коллективный спектр системы таких биэкситонов, слабо взаимодействующих по квадрупольному закону. Проанализирована бозе-конденсация, плотность сверхтекучей компоненты п3(Т) и фазовый переход в в сверхтекучеее состояние в разреженной системе непрямых биэкситонов.

Хочу выразить глубокую благодарность моему научному руководителю — профессору Юрию Ефремовичу Лозовику за постановку темы исследования, активное участие в работе и плодотворное руководство, за время которого я имел возможность многому научиться.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Ю.Е. Лозовик, В. И. Юдсон. О возможности сверхтекучести разделенных в пространстве электронов и дырок при их спаривании: новый механизм сверхпроводимости. Письма в ЖЭТФ, 1975, 22, И, 556−559.
  2. Yu.E. Lozovik, V.I. Yudson. Superconductivity at dielectric pairing of spatially separated quasiparticles. Sol. St. Comms., 1976, 19, 4, 391−393.
  3. Yu.E. Lozovik, V.I. Yudson. Electron-hole superconductivity. Influence of structure defects. Sol. St. Comms., 1977, 21, 2, 211−215.
  4. Ю.Е.Лозовик, В. И. Юдсон. Новый механизм сверхпроводимости: спаривание между пространственно разделенными электронами и дырками:. ЖЭТФ, 1976, 71, 2(8), 738−753.
  5. Ю.Е.Лозовик, В. И. Юдсон. Межзонные переходы и возможность токовых состояний в системах с электрон дырочным спариванием. Письма в ЖЭТФ, 1977, 25, 1, 18−21.
  6. Yu.E. Lozovik, V.I. Yudson. On the ground state of the two-dimensional non-ideal Rose gas. Physica A, 1978, 93, 3, 493−502.
  7. X. Zhu, P.B. Littlewood, M.S. Hybertsen, T.M. Rice. Exciton condensate in semiconductor quantum well structures. Phys. Rev. Let., 1995, 74, 9, 16 331 636.
  8. M.A. Херман. Полупроводниковые сверхрешетки. M.: Мир, 1989, стр. 216.
  9. Т. Fukuzawa, Е.Е. Mendez, J.M. Hong. Phase transition of an exciton system in GaAs coupled quantum wells. Phys. Rev. Lett., 1990, 64, 25, 30 663 069.
  10. J.A.Kash, M. Zachau, E.E. Mendez, J.M. Hong, T.Fukuzawa. Fermi-Dirac distribution of excitons in coupled quantum wells. Phys. Rev. Lett., 1991, 66, 17, 2247−2250.
  11. L.V. Butov, V.D. Kulakovskii, G.E.W. Bauer, A. Forchel, D. Grutzmacher. Excitons in dense two-dimensional electron-hole magnetoplasmas. Phys. Rev. B, 1992, 46, 19, 12 765−12 774.
  12. J.-P. Cheng, J. Kono, B.D. McCombe, I. Lo, W.C. Mitchel, C.E. Stutz. Evidence for a stable excitonic ground state in a spatially separated electron-hole system. Phys. Rev. Lett., 1995, 74, 3, 450−453.
  13. M. Bayer, V.B. Timofeev, F. Faller, T. Gutbrod, A. Forchel. Direct and indirect excitons in coupled GaAs/AIq^qGciqjqAs double quantum wells separated by AlAs barriers. Phys. Rev. B, 1996, 54, 12, 8799−8809.14. L.V. Butov.
  14. Anomalous transport and luminescence of indirect excitons in coupled quantum wells. In «The physics of semiconductors», p.1927, ed. by M. Scheffler and R. Zimmermann, World Scientific Singapore, 1996.
  15. U. Sivan, P.M. Solomon, H. Strikman. Coupled electron-hole transport. Phys. Rev. Let. 68, 1992, 8, 1196−1199
  16. L.V. Butov, A. Zrenner, G. Abstreiter, G. Bohm, G. Weigmann. Condensation of indirect excitons in coupled AlAs/GaAs quantum wells. Phys. Rev. Lett., 1994, 73, 2, 304−307.
  17. L.V. Butov, A. Zrenner, G. Abstreiter, A.V.Petinova, K. Eberl. Direct and indirect magnetoexcitons in symmetric InxGa^.xAs / GaAs coupled quantum wells. Phys. Rev. B, 1995, 52, 16, 12 153−12 157.
  18. G.Finkelstein, H. Shtrikman, I. Bar-Joseph. Optical spectroscopy of neutral and charged excitons in GaAs/AlGaAs quantum wells in high magnetic fields. Surface Science, 1996, 361/362, 357−362.
  19. A.J.Shield, M. Pepper, D.A.Ritchie, M.Y.Simmons. Influence of excess electrons and magnetic fields on Mott-Wannier excitons in GaAs quantum wells. Advances in Physics, 1995, 44, 1, 47−72.
  20. А.И.Филин, В. Б. Тимофеев, С. И. Губарев, Д. Биркедель, Дж.М. Хвам. Экситон-экситонные соударения и конверсия пространственно непрямых экситонов в GaAs/AlGaAs сверхрешетках. Письма в ЖЭТФ, 1997, 65, 8, 623−628.
  21. Yu.E.Lozovik, A.V.Klyuchnik. Interband transitions and currents in systems with electron-hole pairing. J. Phys. C, 1978, 11, 12, L483-L487.
  22. A.B. Ключник, Ю. Е. Лозовик. Влияние межзонных переходов на токовые состояния в системах со спариванием электронов и дырок. ЖЭТФ, 1979, 76, 2, 670−686.
  23. Yu.E. Lozovik, A.V. Klyuchnik. Current states and domains in systems with electron-hole pairing. J. Low Temp.Phys., 1980, 38, 5/6, 761−77−5.
  24. Yu.E. Lozovik, A.V. Poushnov. Magnetism and Josephson effect in the coupled quantum well electron-hole system. Phys. Lett. A, 1997, 228,399 408.
  25. Ю.Е. Лозовик, M.В. Никитков. Эффекты увлечения в двухслойной системе пространственно-разделенных электронов и экситонов. ЖЭТФ, 1997, 111, 3, 1107−1119.
  26. Дж.Шриффер. Теория сверхпроводимости. М.: Наука, 1970.
  27. А.В.Ключник, Ю. Е. Лозовик. Двумерная диэлектрическая электронно дырочная жидкость. ФТТ, 1978, 20, 2, 625−627.
  28. Д.Пайнс. Элементарные возбуждения в твердых телах. М.:Мир, 1965.
  29. Ю.Е. Лозовик, В. Н. Нишанов. Экситоны Ванье-Мотта в слоистых структурах и вблизи границы двух сред. ФТТ, 1976, 18, 11, 3267−3272.
  30. G.Bastard, E.E.Mendez, L.L.Chang, L.Esaki. Exciton binding energies in quantum wells. Phys. Rev. B, 1982, 26, 4, 1974−1979.
  31. Л.Д.Ландау, Е. М. Лифшиц. Электродинамика сплошных сред. M.: Наука, 1992.
  32. Ю.Е. Лозовик, В. И. Юдсон. Кристаллизация двумерного электронного газа в магнитном поле. Письма в ЖЭТФ, 1975, 22,1, 26−28.
  33. Yu.E. Lozovik, S.M. Apenko, A.V. Klyuchnik. Two-dimensional electron crystal in magnetic field. Topological phase transitions and stability region. Sol. St. Comms, 1980, 36, 6, 485−492.
  34. Б.А. Абдуллаев, Ю. Е. Лозовик. Силы изображения и область устойчивости двумерного вигнеровского кристалла. ФТТ, 1982, 24, 9, 2663−2666.
  35. J.M. Kosterlitz, D.J. Thouless. Ordering, metastability and phase transition in two-dimensional XY model. J.Phys. C, 1973, 6, 6, 1181−1203.
  36. D.R.Nelson, J.M. Kosterlitz. Universal jump in the superfluid density of two-dimensional superfluids. Phys. Rev. Lett., 1977, 39, 19, 1201−1205.
  37. D. Yoshioka, H. Fukuyama. Existence of dipole-density-wave (DDW) state in electron-hole junction systems. J. Phys. Soc. Jpn., 1978, 45, 1, 137−147.
  38. И.В. Лернер, Ю. Е. Лозовик. Экситоны Мотта в квазидвумерных полупроводниках в сильном магнитном поле. ЖЭТФ, 1980, 78, 3, 1167−1175.
  39. И.В. Лернер, Ю. Е. Лозовик. Двумерные электронно дырочные системы в сильном магнитном поле как почти идеальный газ экситонов. ЖЭТФ, 1981, 80, 4, 1488−1503.
  40. И.В.Лернер, Ю. Е. Лозовик. Влияние корреляционных эффектов на фазовые переходы в квази двумерных полуметаллах в сильном магнитном поле. ЖЭТФ, 1982, 82, 4, 1188−1203.
  41. А.Б. Дзюбенко, Ю. Е. Лозовик. Точные решения и преобразования Боголюбова для квазинульмерных электронно дырочных систем. ФТТ, 1983, 25, 5, 1519−1521.
  42. А.Б. Дзюбенко, Ю. Е. Лозовик. Квазидвумерный конденсат электронно дырочных пар в сильных магнитных полях. ФТТ, 1984, 26, 5,1540−1541.
  43. D. Paquet, T.M. Rice, K. Ueda. Two-dimensional electron-hole fluid in a strong perpendicular magnetic field: exciton Bose condensate or maximum density two-dimensional droplet. Phys. Rev. B, 1985, 32, 8, 5208−5221.
  44. A.B. Dzuybenko, Yu.E. Lozovik. Symmetry of Hamiltonians of quantum two-component systems: condensate of composite J.Phys.A, 1991, 24, 415 424.
  45. A.H. MacDonald, E.H. Rezayi. Fractional quantum Hall effect in a two-dimensional electron-hole fluid. Phys. Rev. B, 1990, 42, 5, 3224−3227.
  46. JI.B. Келдыш, Ю. В. Копаев. Возможная неустойчивость полуметаллического состояния относительно кулоновского взаимодействия. ФТТ, 1964, 6, 9, 2791−2798.
  47. А.Н. Козлов, Л. А. Максимов. О фазовом переходе метал л-диэлектрик двухвалентный кристалл. ЖЭТФ, 1965, 48, 4, 1184−1193.
  48. Л.В.Келдыш, А. Н. Козлов. Коллективные свойства экситонов в полупроводниках. ЖЭТФ, 1968, 54, 3, 978−993.
  49. B.I. Halperin, T.M. Rice. The excitonic state at the semiconductor-semimetal transition. Solid State Phys. 21, 1968, 1, 115−261.
  50. Л.П. Горьков, И. Е. Дзялошинский. К теории экситона Мотта в сильном магнитном поле. ЖЭТФ, 53, 1967, 2(8), 717−722.
  51. Yu.E. Lozovik, A.M. Ruvinsky. Magnetoexcitons in coupled quantum wells. Phys. Lett. A, 1997, 227, ¾, 271−284.
  52. Ю.Е. Лозовик, A.M. Рувинский. Магнитоэкситонное поглощение в связанных квантовых ямах. ЖЭТФ, 1997, 112, 5(11), 1791−1808.
  53. Л.Д.Ландау, Е. М. Лифшиц. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.: Наука, 1989.
  54. C.Kallin, B.I.Halperin. Excitations from a filled Landau level in the two-dimensional electron gas. Phys. Rev. B, 1984,
  55. C.Kallin, B.I.Halperin. Many-body effects on the cyclotron resonance in a two-dimensional electron gas. Phys. Rev. B, 1985, 31, 6, 3635−3647.
  56. D.Yoshioka, A.H.MacDonald. Double quantum well electron-hole systems in strong magnetic fields. J.Phys.Soc.Jpn., 1990, 59, 12, 4211−4214.
  57. L.Brey. Energy spectrum and charge-density-wave instability of a double quantum well in a magnetic field. Phys. Rev. Let., 1990, 65, 7, 903−906.
  58. X.M. Chen, J.J. Quinn. Excitonic charge-density-wave instability of spatially separated electron-hole layers in strong magnetic field. Phys. Rev. Let., 1991, 67, 7, 895−898.
  59. Ю.Е.Лозовик, В. И. Юдсон. Фазовый переход полуметалла в состояние с резко анизотропным спариванием электронов и дырок. ФТТ, 1975," 17, 6, 1613−1616.
  60. A.A.Abrikosov. Phase transition in semimetals in high magnetic fields. J. Low Temp.Phys., 1970, 2, ½, 37−59.
  61. С.Д.Бенеславский, Э.Энтральго. Магнитокулоновские уровни в полупроводниках с сильно анизотропными законами дисперсии. ЖЭТФ, 1975, 68, 6, 2271−2275.
  62. Квантовый эффект Холла. Под редакцией Р. Пренджа и С.Гирвина. М.: Мир, 1989.
  63. B.I.Halperin, P.A.Lee, N.Read. Theory of the half-filled Landau level. Phys. Rev. B, 1993, 47, 12, 7312−7343.
  64. И.О.Кулик, С. И. Шевченко. Экситонное спаривание и сверхпроводимость в слоистых соединениях. ФНТ, 1976, 2, 11, 1405−1426.
  65. С.И.Шевченко. Уравнения Гинзбурга-Ландау и квантовые когерентные явления в системах с электронно-дырочным спариванием. ФНТ, 1977, 3, 5, 604−623.121i
Заполнить форму текущей работой

На отлично!