Спиновый лёд

Спиновый лед является магнитным аналогом обыкновенного льда и классическим аналогом спиновых жидкостей. Простым и ясным образом он выражает такие важные теоретические концепции современной физики конденсированного состояния как фрустрации, макроскопическое вырождение основного состояния, фракционализация, магнитные монополи, топологический порядок. Важные работы в этой области были выполнены в ИФТТ. Так, в работе [1] было впервые предсказано существование магнитных монополей в спиновом льде и с их помощью построена теория динамических процессов. В работе [2] предложена теория магнитокалорического эффекта: нагревания и охлаждения образца при движении магнитных монополей. Оценена величина эффекта и показано, что он может быть эффективно использован для получения сверхнизких температур. В работе [3] теоретически исследовано экранирование магнитного поля магнитными монополями и показано, что магнитные токи в спиновом льде могут быть только переменными. В работе [4] теоретически предсказан новый тип фазового перехода, сопровождающийся скачкообразным ростом концентрации магнитных монополей при повышении температуры. Эти результаты основаны на многолетних исследованиях физики обыкновенного льда, проводимых в ИФТТ, и на удивительной аналогии между обыкновенным и спиновым льдами [5,6].
[1] Ryzhkin I.A., JETP 101, 481 (2005) [2] Ryzhkin I.A., JETP 108, 602 (2009) [3] Ryzhkin I.A., Ryzhkin M.I. JETP Letters 93, 384 (2011) [4] Ryzhkin I.A., Klyuev A.V., Ryzhkin M.I., Tsybulin I.V., JETP Letters 95, 302 (2012) [5] Ryzhkin I.A., Solid State Comm. 52, 49 (1984) [6] Ryzhkin I.A., APS March Meeting 2012 (invited talk B8.00007). [7] Ryzhkin I.A., Highly Frustrated Magnetism 2012, Hamilton, Canada (invited talk).

Механизм образования магнитных монополей и переориентации магнитной структуры при их движении. Слева - ориентации магнитных моментов в спиновом льде (two in and two out rule). Переворот магнитных моментов, указанных черными стрелками, нарушает это правило. В результате (в центре) возникают две вершины: одна с тремя моментами к вершине (левый нижний угол, положительный монополь), вторая с тремя моментами от вершины (правый верхний угол, отрицательный монополь). Пара монополей всегда связаны струной Дирака из магнитных моментов, ориентированных вдоль темной (коричневой) линии. Справа – фазовая диаграмма спинового льда.

Релаксационные колебания при вытекании сверхтекучей жидкости из сосуда

В.Шикин. Неустойчивость и перестройки заряженной поверхности жидкости. УФН, 181 (2011) 1241-1264

Два варианта наблюдения за поведением пленки на днище стакана со сверхтекучей жидкостью. В левой части полное количество жидкости аккуратно дозированно. Правый вариант не предполагает такой дозировки. При этом система демонстрирует режим релаксационных колебаний, в котором капля периодически достигает критических размеров и срывается вниз.

Квантовый эффект Холла в узких кулоновских каналах

Предложен сценарий появления магнитных электронных состояний (МЭС) в ограниченных заряженных системах. Такие состояния возникают вследствие неполной экранировки внешних электростатических полей, формирующих распределение электронной плотности, и потому локализованы внутри некоторого статического скин-слоя ширины l вдоль края двумерной (2D) заряженной системы (классической или вырожденной). В магнитном поле, нормальном 2D системе, электроны в скин-слое увлекаются вдоль орбит МЭС силой Лоренца как в классических, так и в квантовых 2D системах. (S.Nazin and V.Shikin, Quantum Hall effect in narrow Coulomb channels. Physical Review B, 84 (2011) 153301)

Проводимость s(H) в единицах s₀ = e²/h как функция обратного магнитного поля для различных значений эффективного потенциала затвора. Сплошные линии - результаты расчетов в рамках предложенной модели. Квадраты - экспериментальные данные. Линия (a) соединяет вычисленные пороговые точки, в которых ненулевая проводимость должна возникать в одномерном канале с постоянной шириной d. Пунктирная линия (b) - те же пороговые точки, вычисленные с учетом слабой зависимости d от координаты вдоль канала.

Периодичность магнитного потока в сверхпроводящих цепях

F. Loder, A. Kampf, T. Kopp, J. Mannhart, C. W. Schneider, Yu. S. Barash. Nature Physics 4, 112-115 (2008) "Magnetic Flux Periodicity of h/e in Superconducting Loops" .

Коллективные возбуждения в многокомпонентных квазидвумерных электронных системах

Исследование коллективных возбуждений в квазидвумерных многокомпонентных электронных системах (таких, как квантовые ямы с несколькими уровнями размерного квантования, квазидвумерные электронные системы с несколькими заполненными уровнями Ландау в сильном магнитном поле, двойные туннельно связанные квантовые ямы) – одно из основных направлений деятельности теоретического отдела. (i) Развита теория межподзонных возбуждений спиновой и зарядовой плотности для электронов в квантовой яме в сильном магнитном поле. Показано, что возбуждения имеют многомодовую структуру, число мод определяется фактором заполнения (В.Е.Бисти. Письма в ЖЭТФ, 69, 543, 1999; В.Е.Бисти, Письма в ЖЭТФ, 73, 25, 2001). (ii) Исследованы коллективные внутризонные возбуждения зарядовой плотности электронной системы в двойных GaAs/AlGaAs квантовых ямах в сильном параллельном магнитном поле. Показано, что основным эффектом, определяющим анизотропию энергии оптических и акустических плазмонов как функции квазиимпульса, является анизотропия эффективной массы электронов, обусловленная конечной шириной квантовых ям. (С.В. Товстоног, В.Е. Бисти. Письма в ЖЭТФ, 78, 1237, 2003).

Зависимость энергии (Raman shift) AP (слева) и OP (справа) двойной квантовой ямы 250/20/250 Å от величины угла между квазиимпульсом возбуждения k=13·10⁴ cm^-1 и направлением параллельного магнитного поля B_||=7 T в полярных координатах. Эксперимент – черные квадраты, теория – сплошная линия.

Релаксация голдстоуновской моды в квантовохолловском ферромагнетике

Исследуется спиновая релаксация сильнокоррелированного 2DEG в сильном магнитном поле при факторе заполнения, близком к нечетному. Изучаемая система представляет собой "квантово-холловский" ферромагнетик с "классическим" спином S₀~N_j/2 (N_j – число квантов магнитного потока, S₀||B). Время спиновой релаксации фактически является временем релаксации зеемановской энергии (но не временем расфазировки спинов) вследствие процессов, меняющих спин 2DEG. SO-члены взаимодействий Рашбы и Дрессельхауса рассматриваются в качестве факторов, смешивающих спиновые состояния. Релаксация изучается в терминах аннигиляционных процессов 2D магнонов. Задача решается при произвольной величине начального возмущения с использованием аналитической техники экситонного представления. Установлено, что временная зависимость S(t) является неэкспоненциальной (S.Dickmann. Goldstone Mode Relaxation in a Quantum Hall Ferromagnet. Phys. Rev. Lett., 93, 206804 (2004); С.М.Дикман, В.М.Жилин, Д.М.Кулаковский. Экситонное представление. Спектры коллективных возбуждений в режиме квантового эффекта Холла. Спиновый биэкситон. ЖЭТФ, 128, вып. 5(11), 1025-1040 (2005)).

Полный спин может быть отклонен как единое целое от направления B (DS=0, DS_z≠0), т.е. начальное возмущение представляет собой спонтанное нарушение симметрии. Разрушение этой моды из-за присутствия в системе плавного случайного потенциала (при T < 1 K) представляет собой, микроскопиически, исчезновение "голдстоуновского" Бозе-конденсата "нулевых" 2D-магнонов, при одновременном развитии "термодинамического" конденсата.

Релаксация голдстоуновской моды. Временные зависимости |DS_z| и |DS| показаны для начального возмущения |DS_z(0)|=0.455N_j. Векторы S(t) в эквидистантные моменты времени отложены на вставке с шагом t. Характерное время исчезновения голдстоуновской моды должно слабо зависить от магнитного поля: t ≈ t₀ exp(g B^3/2), где t₀ ~ 10 нс и g ~ 0.01T^-3/2.

Краевые магнитоплазмоны в системах с плавно обращающейся в ноль на границе плотностью подвижных носителей заряда.

Для двумерных заряженных систем с плавно обращающейся в ноль на границе плотностью подвижных носителей заряда в нормальном к плоскости 2D системы магнитном поле предсказано существование аномальных краевых магнитоплазмонов, частота которых при фиксированном волновом векторе вдоль границы системы немонотонно зависит от магнитного поля, возрастая от 0 при H=0 до некоторого максимального значения и затем вновь уменьшаясь до 0 при больших H. Впоследствии такие магнитоплазмоны были экспериментально обнаружены в двумерной системе положительных ионов гелия у поверхности жидкого He (С.С.Назин и В.Б.Шикин. О краевых магнетоплазмонах в электронной системе на поверхности гелия. Длинноволновая асимптотика спектра. ЖЭТФ, том 94, вып. 2 (1988) стр. 133--143 (Sov. Phys. JETP, 67 (1988) 288).

Спектр низкочастотных плазменных колебаний в двумерной дискообразной (радиус R=11.87 мм) системе положительных ионов гелия ионов при температуре T=55 mK и 2D плотности ионов n=8x10⁶ cm^-2. Точки — экспериментальные результаты, кривые — результаты расчетов. Немонотонные кривые соответствуют аномальным краевым магнитоплазмонам, монотонно убывающие кривые — обычные краевые магнитоплазмоны (P.L.Elliot et al., Magnetoplasmons in two-dimensional circular sheets of ⁴He⁺ ions. Phys. Rev., B56 (1997) 3447–3456).

Квантовый эффект Холла в неоднородных 2D электронных структурах

Развивается теория квантового эффекта Холла (КЭХ) в неоднородных 2D заряженных системах. Теория дает естественное объяснение исходному антагонизму в этой задаче: практически всегда в транспортных измерениях 2D проводящие системы пространственно неоднородны за счет контактных явлений. Тем не менее, в таких системах наблюдается КЭХ, хотя для его существования желательна максимальная однородность образцов. Пример самосогласованного описания электростатических полей в 2D электронном диске в нормальном состоянии и в режиме КЭХ приведен на рисунке.

Гауссово изображение f(x) электропотенциала j(x) для диска Корбино с центром 2D области в точке x₀=390 мкм. Вставка справа иллюстрирует магнитные поля, отвечающие рассматриваемым состояниям, а круг в левой части рисунка дает представление о реальных размерах лазерного пучка. Интервал между стрелками в правом нижнем углу отвечает области перекрытия нормального и аномального состояний в поведении потенциала j(x). Его конечность указывет на существование краевых нормальных колец, обрамляющих аномальную область в центре диска.

Эффект Холла в проводниках с нарушенной зеркальной симметрией, вызванный светом

Интерес к изучению проводников (полупроводников, нормальных металлов и сверхпроводников) с нарушенной зеркальной симметрией кристаллической решетки связан с ожиданием новых физических свойств таких материалов по сравнению с обычными центрально-симметричными кристаллами. В частности, предсказывается новое физическое свойство полупроводников и металлов, связанное с нарушенной зеркальной симметрией. Показано, что освещение квази-двумерных и трехмерных проводниках полярной симметрии внешним переменным циркулярно поляризованным электрическим полем приводит к отклонению направления постоянного электрического тока, пропорциональное интенсивности подсветки. Эффект похож на эффект Холла, но вместо внешнего магнитного поля выступает циркулярно-поляризованный свет. (В.М.Эдельштейн. Phys. Rev. Lett., 95, 156602 (2005)).

Мезо- и наноструктуры

Постоянным объектом внимания являются различные мезо- и наноструктуры: нанотрубки, фуллерены, кластеры и пузырьки (заряженные и нейтральные) в конденсированных средах. На рисунке - предсказанный в ИФТТ РАН многоэлектронный пузырек в жидком гелии в состоянии, когда 2D электронная система на его внутренней поверхности образует вигнеровскую решетку.