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).

перейти к началу страницы