电荷密度波与自旋密度波

1、第第4 4讲：电荷密度波与自旋密度波讲：电荷密度波与自旋密度波Charge Density Wave (CDW) And Spin Density Wave (SDW) 关键词关键词准一维导体准一维导体Peierls相变相变公度和非公度公度和非公度CDW/SDW非线性电导非线性电导FrohlichFrohlich滑移导电机制滑移导电机制窄带噪声窄带噪声搓衣板模型搓衣板模型1975年发现年发现NbSe3的非线的非线性电导特性性电导特性一种新的导一种新的导电机制：电电机制：电子的集体运子的集体运动模式动模式已发现的电荷密度波材料举例已发现的电荷密度波材料举例 NbSe3, TaSe3, NbS3,

2、 TaS3, (TaSe4)2I, (NbSe4)3I, NbTe4, TaTe4, ZrTe5, K0.3MoO3, Tl 0.3MoO3 TTF-TCNQ NbSe2, TaSe2, NbS2, TaS2准一维准一维准二维准二维NbSe3结构d电子波函电子波函数连成一维数连成一维电子通道电子通道NbNbTe4结构K0.3MoO3的结构的结构K蓝青铜蓝青铜4d元素准一维导体形成电荷密度波的机制准一维导体形成电荷密度波的机制原子双聚化引起能带结构的改变原子双聚化引起能带结构的改变一维原子链一维原子链双聚化，双聚化，周期增加一倍周期增加一倍晶格畸变能增加电子系统 能量减小能隙（布里渊能隙（布里渊

3、区边界）在动区边界）在动量空间的什麽量空间的什麽位置？位置？当波长当波长 2a 时，时，入射波和反射波相入射波和反射波相位差为位差为2 的整数倍，的整数倍，所有的反射波叠加所有的反射波叠加,导致导致 kB=1/2a 处出处出现能隙现能隙,(a为原子的周期为原子的周期)原子双聚化，电子态密度出现能隙原子双聚化，电子态密度出现能隙一维电子系统一维电子系统的的“对顶跳对顶跳”和和PeierlsPeierls相相变变Kohn反常反常Peierls相变相变的前兆的前兆电子声子相互作用电子声子相互作用q= 2kF只有动量为只有动量为2kF的的声子才被电子吸收声子才被电子吸收能隙随温度变化能隙随温度变化理论

4、计算理论计算实验结果实验结果能隙究竟是在何时开始出现？赝能隙在赝能隙在260K已经开始出现，已经开始出现，反映有反映有CDW涨涨落落是否一定是否一定“公度公度”？Peierls 相变后的原子周期相变后的原子周期 a与原周期与原周期 a不一定是整数倍，不一定是整数倍，而取决于费米波矢而取决于费米波矢: a= 1/ (2kF ） 当费米波矢正好在第一布理渊区中间时（即当费米波矢正好在第一布理渊区中间时（即 kF=1/4a），）， a = 2a原子超格子和电荷密度波同时形成原子超格子和电荷密度波同时形成(x)=0+1cos(2 x/+)若若a / a 为为简单分数，简单分数，称公度电称公度电荷密度波

5、荷密度波若若a / a 为为非简单分非简单分数，称非数，称非公度电荷公度电荷密度波密度波CDW形成示意图形成示意图FrohlichFrohlich滑移导电滑移导电: : CDW “骑在骑在”离子超晶格的行波上传播离子超晶格的行波上传播电荷密度波的钉扎和閾值电场电荷密度波的钉扎和閾值电场钉扎中心钉扎中心杂质杂质原子，点原子，点缺陷缺陷NbSe3主要物理特性主要物理特性两次两次Peierls相变相变144K59K非线性电导非线性电导电场超过电场超过閾值閾值时时CDW开始滑移，开始滑移，电阻急剧下降电阻急剧下降J=J0+JCDW电荷密度波的钉扎电荷密度波的钉扎部分部分CDW被钉扎被钉扎全部全部CDW

6、被钉扎被钉扎实验显示：钉扎中心太多时，阈值反而降低 比热比热从相变比热可从相变比热可算出熵的变化，算出熵的变化，估计在估计在144K有有25的传导电的传导电子凝聚为子凝聚为 CDW，在在59K又有又有30的传导电子进的传导电子进一步凝聚一步凝聚S= (C/T) dT = Cd(lnT)压力下出现超导电性压力下出现超导电性都是电声子作用都是电声子作用压力对压力对ZrTeZrTe3 3的超导转变和的超导转变和 CDW CDW 相变温度相变温度的影响的影响不同压力下不同压力下ZrTeZrTe3 3的的 R-TR-T曲线曲线当当CDWCDW运动时，出现窄带运动时，出现窄带“噪声噪声”频谱分析J JCD

7、WCDW与与“噪声噪声”的交的交流频率成正比流频率成正比J=J0+JCDWCDWCDW与微波的与微波的相互作用相互作用微分电导微分电导在微波场中在微波场中I-VI-V曲线上出曲线上出现台阶现台阶二维电荷密度波二维电荷密度波系统系统 NbSe2，TaS2等等nestingCDW 和 SDWCDW: = 0+ 1cos(2 x + )= (x)+ (x) (x) = 0 /2 + 1cos(2 x + )/2 (x) = 0 /2 + 1cos(2 x + )/2 对对CDW, = = SDW: = + = (x)+ (x) = 0 是常数是常数挫衣板模型挫衣板模型思考题思考题1，CDW的导电性有

8、何特征？的导电性有何特征？2，CDW材料的结构有何特征？材料的结构有何特征？3，什麽是，什麽是Kohn反常，它产生的机制是什麽？反常，它产生的机制是什麽？4，Peierls 相变（结构相变）与金属绝缘体相变之间有相变（结构相变）与金属绝缘体相变之间有 何关系？何关系？5，为什麽有的，为什麽有的CDW是公度的有的是公度的有的CDW是非公度的是非公度的?6，为什麽电压超过閾值后，为什麽电压超过閾值后CDW才开始滑移才开始滑移?7，样品中杂质很多的情况閾值是减小还是加大？，样品中杂质很多的情况閾值是减小还是加大？8，窄带，窄带“噪声噪声”有何特征，它产生的机制是什麽？有何特征，它产生的机制是什麽？9，有微波照射时为什麽，有微波照射时为什麽 I-V曲线上出现台阶？曲线