Квантовая динамика ян-теллеровсих комплексов в кристаллах

Проект: Проект-Грант

Сведения о проекте

Описание

Научной проблемой проекта является исследование свойств точечных дефектов в легированных в широкозонных полупроводниках и диэлектриках, перспективных для применения в качестве элементной базы в устройствах оптоэлектроники и в вычислительной технике. Ионы переходных металлов, часто используемые для легирования, в большинстве случаев обладают орбитальным вырождением, что в свою очередь приводит к проявлению эффекта Яна-Теллера. Этот эффект проявляется в понижении симметрии комплекса (представляющего собой ион и ближайшее окружение) за счет электрон-колебательного (вибронного) взаимодействия. В данном проекте планируется исследование квантовой динамики ян-теллеровских комплексов в примесных кристаллах методами физической акустики, которые обладают уникальной возможностью изучать основное (низкоэнергетическое) состояние этих комплексов. Научная значимость проблемы определяется логикой развития науки, а актуальность - возможностями практического применения ионов переходных металлов в квантовой оптике, спинтронике, вычислительной технике, элементах солнечных батарей и светодиодах. В случае, если ион является ян-теллеровским, энергетическое состояние комплекса можно менять с помощью приложенных деформаций, что открывает дополнительную возможность управления устройством, в котором эти комплексы используются. Естественно, все возможности практического использования могут быть установлены только после всестороннего изучения свойств объектов. Традиционными методами исследования ян-теллеровских комплексов являются магниторезонансные (в основном ЭПР) и оптические. Первые позволяют определить симметрию окружения (локальные деформации комплексов), а вторые дают возможность установить структуру энергетических уровней, сформированную благодаря дополнительному расщеплению за счет вибронного взаимодействия. Ультразвуковые методы исследования этих объектов получили заметное развитие сравнительно недавно. С их помощью удается определить симметрийные свойства не только локальных деформаций, т.е., глобальных минимумов низкоэнергетического листа адиабатического потенциала, но и седловых точек. Кроме того, имеется возможность определить значения энергий ян-теллеровской стабилизации, а также величины, входящие в вибронный Гамильтониан: линейные и квадратичные константы вибронной связи. Средствами физической акустики удается получить большой объем уникальной информации о свойствах ян-теллеровских комплексов, недоступной другими методами. Лидирующее место в этих исследованиях принадлежит группе, в состав которой входят участники проекта. Настоящий проект ориентирован на развитие данного направления и сохранения этих лидирующих позиций.
В данном проекте предполагается исследование туннельных механизмов релаксации ян-теллеровских комплексов на основе экспериментальных данных о температурных и магнитополевых зависимостях поглощения и скорости ультразвука (или комплексных модулей упругости). Имея квантовую природу, туннельные переходы представляются малоэффективным механизмом релаксации, и в силу этого, ранее ими пренебрегали при обработке экспериментальных данных. Однако выполненные недавно исследования кристалла CaF2:Cr [Письма в ЖЭТФ т. 113, с. 52, (2021)] показали, что кубические ян-теллеровские комплексы Сr{2+}F8 в матрице CaF2 обладают достаточно низким потенциальным барьером по сравнению с ранее исследованными комплексами Сr{2+}F8 в SrF2 и Ni{2+}F8 в CaF2 [см. ЖЭТФ т. 159, с. 892 (2021)]. В результате туннельные переходы оказываются настолько эффективными, что обеспечивают достаточное для надежных измерений поглощение ультразвука, связанное с ними, а значит, и возможность их изучения. Поиск других легированных кристаллов, с низкими барьерами адиабатического потенциала и изучение туннельных механизмов релаксации системы ян-теллеровских комплексов является логическим продолжением ранее выполненных нами исследований в этой области. Для молекул теория этого явления разработана достаточно полно (см., например, I.B. Bersuker, The Jahn-Teller Effect, Cambridge University Press, 2006), чего нельзя сказать относительно ян-теллеровских комплексов в легированных кристаллах, для которых расчеты выполнены давно и с использованием весьма упрощенных моделей (cм. M.D.Sturge в Solid State Physics, v.20, p.91 (1968), Academic Press, NY, London). При этом рассматривались два типа туннельных механизма релаксации: скорость релаксации одного линейно зависит от температуры, а второго (двухфононного) – пропорциональна температуре в третьей степени. Очевидно, что механизмы переходов, в которых участвуют тепловые фононы, более эффективны по сравнению с переходами, которые рассматриваются для молекул. Экспериментальное исследование туннельных механизмов релаксации и сравнение с существующей теорией является совершенно новым направлением исследований ян-теллеровских комплексов. Можно ожидать, что такое исследование обеспечит дополнительную мотивацию для развития теории явления без привлечения используемых в настоящее время упрощений. Как уже было отмечено, важную роль туннельных переходов в релаксационном поглощении ультразвука удалось установить в кристалле флюорита для кубических комплексов, в которых ян-теллеровский центр имеет 8 ближайших соседей. Можно предположить, что для октаэдрических и тетраэдрических комплексов будут более низкие потенциальные барьеры в силу того, что ближайших соседей меньше (6 и 4, соответственно) и связь электронных состояний с колебательными должна быть также менее выраженной. Установление экспериментального факта измеряемого вклада туннельных переходов в релаксационное поглощение ультразвука имеет еще одно важное значение. А именно, этот факт требует пересмотра интерпретации обнаруженной в кристалле ZnSe:Cr зависимости поглощения ультразвука от магнитного поля [N.S. Averkiev, I.B. Bersuker, V.V. Gudkov, et al. Phys. Rev. B v.96, 094431 (2017)]. Ранее проявление эффекта Яна-Теллера в этом кристалле рассматривалось в рамках Txe задачи, которая предполагает отсутствие потенциальных барьеров и туннельных переходов. Для обоснования существования поглощения ультразвука при низких температурах эта интерпретация рассматривала возможность резонансных переходов между уровнями, сильно размытыми тепловым движением атомов в кристалле [К. Baryshnikov, N. Averkiev, I. Bersuker, et al. Phys. Status Solidi B, 2019 1800635]. Релаксационное поглощение при низких температурах пропорционально скорости релаксации и изотермическому модулю упругости. Последний обратно пропорционален температуре, а среди туннельных механизмов есть такой, у которого скорость релаксации линейна по температуре. В пределе нулевой температуры линейная и обратно пропорциональные зависимости компенсируются, в результате чего релаксационное поглощение асимптотически стремится к константе (отличной от нуля). При наличии релаксационного поглощения в пределе нулевой температуры необходимость рассмотрения резонансного поглощения отпадает. При этом допущение туннельных переходов, естественно, предполагает наличие потенциальных барьеров (седловых точек адиабатического потенциала). Последнее указывает на то, что ян-теллеровские комплексы описываются не Txe, а Tx(e+t2) задачей. Безусловно, для такой существенной смены интерпретации необходимо быть уверенным, что температурная зависимость времени релаксации описывается приведенной в литературе зависимостью от температуры скорости релаксации, связанной с туннельными механизмами. Эта задача также ставится в данном проекте.
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания28/12/202131/12/2023

ГРНТИ

  • 29.19.11 Дефекты кристаллической структуры

Тип источника финансирования (РФФИ, РНФ, Х/Д, Гранты и т.д.)

  • РНФ

Площадка НИЧ УрФУ, где ведется данный грант (НИЧ Куйбышева, НИЧ Мира)

  • НИЧ Мира