Действие переменного поля лазерного луча на изоляторы Мотта Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Зацепин Евгений Петрович, канд.техн. наук, доцент, kaf-eo@stu. lipetsk. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

PRESENTATION OF ELECTRICAL SUPPLY SYSTEMS MULTILEVEL TABLE

E.P. Zatsepin

The article describes the representation of the power supply system in the form of a multi-level table that allows to clearly describe the functioning of not only a separate piece of equipment, but the entire system as a whole.

Key words: power supply systems, levels, electrical equipment, time between failures, electromotor, switch, transformer, line.

Zatsepin Evgeniy Petrovich, candidate of technical science, docent, kaf-eo a stu. lipetsk. ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University

УДК 621.3

ДЕЙСТВИЕ ПЕРЕМЕННОГО ПОЛЯ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА НА ИЗОЛЯТОРЫ МОТТА

И.М. Базыль, К. А. Карасева

Рассмотрен принцип деления всех веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики. Показаны особенности диэлектриков Мотта, переход данных диэлектриков в проводники, а также их область применения. Описан метод исследования изменения состояния электронов - спектроскопия высоких гармоник.

Ключевые слова: зонная теория твердых тел, диэлектрики, проводники, изоляторы Мотта, моттовские диэлектрики.

Все вещества в зависимости от их электрических свойств относят к диэлектрикам, проводникам или полупроводникам. Различия между каждым из них наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

е

рш« ^Зона^проводимости^ Запрещенная зона '/W//SWS/////S/// ^Зона проводимости^ ///////А-//////////!

шшшш. Запрещенная зона

'ШШМШЯ

виви

Металл Полупроводник Диэлектрик

Рис. 1. Энергетические диаграммы зонной теории твердых тел

Исследование спектров излучения различных веществ в газообразном состоянии, при котором атомы расположены относительно друг друга на больших расстояниях, показывает, что атомы каждого вещества имеют вполне определенные спектральные линии, что говорит о наличии определенных энергетических состояний (уровней) для разных атомов.

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 12

Часть уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут располагаться только после того, как атом испытает внешнее энергетическое воздействие, при котором он возбуждается. Атом, стремясь прийти к устойчивому состоянию, излучает избыток энергии в момент возвращения электронов на уровни, при которых энергия минимальна. Во время перехода газообразного вещества в жидкость, а затем при образовании кристаллической решетки твердого тела все имеющиеся у данного типа атомов электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются в результате действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, полоса, образовавшаяся из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле, будет являться зоной энергетических уровней.

Диэлектриками будут такие материалы, запрещенная зона у которых настолько велика, что электронной электропроводимости в обычных случаях не наблюдается [1]. (запрещённая зона - область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристалле)

Однако помимо обычных диэлектриков, отсутствие электрической проводимости в которых обусловлено зонной теорией, существуют также изоляторы Мотта или моттовские диэлектрики, отсутствие электропроводности в которых определяется сильным взаимодействием между электронами. В таких диэлектриках движению электронов, способных создать ток, «мешают» другие электроны, находящиеся на соседних атомах. При отталкивании они «запирают» каждый электрон на своём атоме и делают вещество диэлектриком. К Моттовским диэлектрикам можно отнести соединения переходных и редкоземельных металлов с частично заполненными внутренними d- или f-орбиталями, например, купраты (общее название семейства сложных соединений меди). Такие изоляторы могут становиться проводниками за счет изменения некоторых параметров. Например, при воздействии сильного переменного поля лазерного луча, падающего на поверхность моттовского диэлектрика, в нем изменяется состояние электронов. Кинетическая энергия возрастает, и материал теряет свойства диэлектрика. Этот процесс можно исследовать с помощью такого метода, как спектроскопия высоких гармоник.

Метод заключается в следующем: на материал направляют очень короткие импульсы лазера, длиной в десятки или сотни фемтосекунд (10-15с), с заданными характеристиками, которые впоследствии изменяются при отражении луча от материала. Часть фотонов приобретает в десятки раз большую энергию и частоту колебаний, чем фотоны исходного импульса (это называется генерацией высоких оптических гармоник), что помогает судить о свойствах материала по изменению его характеристик. Перед исследователями встал вопрос о том, что произойдёт с диэлектриками, если они подвергнуться воздействию сверхкоротких интенсивных лазерных импульсов. В своих экспериментах они облучили диэлектрики небольшой кварцево-стеклянной призмой с золотыми электродами с обеих сторон, используя лазерные импульсы, длительностью в несколько фемтосекунд. Так как свет является электромагнитной волной, то импульсы вызвали амплитуду электрополей на диэлектрике возросшие до более, чем 10 миллиардов вольт на метр в течение нескольких секунд. Такое необычайное электрическое поле смогло мобилизовать диэлектрики, обычно имеющие неизменный заряд.

Эксперимент показал, что электропроводимость может быть «включена» всего за фемтосекунды, поэтому необходимо было провести второй эксперимент, который поможет выяснить может ли она быть «выключена» также быстро. Потребовалось добавить импульсы X-ray, имеющие ещё более короткую продолжительность - аттосе-кунды (10-18с), что помогло сделать медленно двигающие «снимки» электронного состояния диэлектрика. Таким образом мысль о том, что материал превращается из диэлектрика в проводник и обратно в течении фемтосекунд, подтвердили расчеты.

К изоляторам Мотта последнее время проявляется всё больший интерес, так как они могут применяться в тонкопленочных магнитных гетероструктурах и высокотемпературных сверхпроводниках. Моттовский переход происходит под воздействием ряда факторов, одним из которых является магнитное поле, за счет чего им можно управлять извне, пропуская или останавливая электрический ток в нужном месте. Этот эффект известен как Переход металл-диэлектрик и может быть использован для создания небольших транзисторов, переключателей и запоминающих устройств, использование которых, возможно совместно с обычными материалами.

Группа южнокорейских ученых разработала новую технологию производства микропроцессоров, в основе которой лежит использование диэлектрика Мотта вместо кремниевых полупроводников. При замене кремния на "изолятор Мотта" удастся значительно снизить выделение энергии, а также перейти на более "миниатюрный" технологический процесс производства. Благодаря использованию новых материалов станет возможным создание чипов с размерами триггеров порядка 5 нм.

Список литературы

1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы: учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленинг. отд-ние, 1985. 304 с.

2. Агентство инноваций и развития экономический и социальных проектов [Электронный ресурс] URL: https://www.innoros.ru/news/foreign/12/12/ innovatsionnye-tekhnologii-lazer-sposoben-prevrashchat-dielektrik-v-provodnik-i-o (дата обращения: 10.11.2018).

3. Наука и жизнь [Электронный ресурс] URL: https://www.nkj.ru/news/33449/ (дата обращения: 10.11.2018).

4. Новые технологии [Электронный ресурс] URL: http://old.ci.ru/inform16_05/ p 20.htm (дата обращения: 10.11.2018).

Базыль Илья Михайлович, канд. техн. наук, доцент, energy@tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Карасева Кира Алексеевна, студент, energy@tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE ACTION OF THE ALTERNATING FIELD OF THE LASER BEAM ON MOTT

INSULATORS

I.M. Bazyl, K.A. Karaseva

The principle of division of all substances into conductors, semiconductors and dielectrics is considered. The features of Mott dielectrics, the transition of these dielectrics into conductors, as well as their field of application are shown. The method of investigation of changes in the state of electrons - spectroscopy of high harmonics is described.

Key words: band theory of solids, dielectrics, conductors, Mott insulators, Mott dielectrics.

Basil Ilya Mikhailovich, candidate of technical science, docent, energy"a lula. ru, Russia, Tula, Tula state University,

Karaseva Kira Alekseevna, student, energy-a lula.ru, Russia, Tula, Tula state university