Мікроконтактна спектроскопія

Мікроконтактна спектроскопія (МКС) (англ. Point-contact spectroscopy)— спектроскопія елементарних збуджень у металах за допомогою точкових контактів, розмір (діаметр) яких d менше довжини енергетичної релаксації (пробігу) електронів. Відкрита 1974 року І. К. Янсоном у Фізико-технічному інституті низьких температур НАН України (м. Харків) при вимірюванні вольт-амперних характеристик (ВАХ) тунельних переходів метал-діелектрик-метал, що містили металеві мікромістки (закоротки) в бар'єрному шарі ^[1]. Теорію МКС було побудовано І.О. Куліком, О.М. Омельянчуком і Р.І. Шехтером ^[2].

МКС обумовлена енергетичною дуплікацією нерівноважних носіїв заряду (електронів) у мікроконтактах при низьких температурах (kТ<< eV) — явищем, що полягає в утворенні під дією електричного зсуву V двох груп нерівноважних носіїв із максимальними енергіями, що різняться на величину eV. Спостереження та теоретичне пояснення цього явища було зареєстровано, як відкриття «Диплом № 328. Явление перераспределения энергии носителей заряда в металлических микроконтактах при низких температурах» (автори Ю.В. Шарвін, И.К. Янсон, И.О. Кулик, А.Н. Омельянчук, Р.И. Шехтер) ^[3]. Релаксація такого розподілу призводить до нелінійної ВАХ, перша похідна від якої пропорційна частоті непружного розсіювання електронів, а друга — мікроконтактній функції взаємодії електронів з іншими квазічастинками з енергією (ħω= eV). У випадку електрон-фононної взаємодії (ЕФВ) при Т→0 та d<<l ^[2]:

${\displaystyle {\frac {1}{R_{0}}}~{\frac {{\rm {d}}R(V)}{{\rm {d}}V}}={\frac {8ed}{3\hbar v_{\rm {F}}}}g_{ps}(\omega )|_{\hbar \omega =eV},}$

(1)

де R = dV/dl (V), ${\displaystyle R_{0}}$ - опір Шарвіна, ν_F  — швидкість Фермі, g(ω) — мікроконтактна функція ЕФВ. Остання відрізняється від тунельної функції ЕФВ (функції Еліашберга) наявністю вагового множника, який враховує кінематику процесів розсіювання електронів у мікроконтакті певної форми. Мікроконтактна функція ЕФВ має вигляд ^[2]:

${\displaystyle {{g}_{pc}}(\omega )={\frac {1}{{\left(2\pi \hbar \right)}^{3}}}{\frac {\int {\frac {{dS}_{\vec {p}}}{{v}_{p}}}\int {\frac {{\text{d}}{{S}_{{\vec {p}}'}}}{{v}_{{p}'}}}W({\vec {p}},{\vec {p}}')\delta (\omega -{{\omega }_{{\vec {p}}-{\vec {p}}'}})K({\vec {p}},{\vec {p}}')}{\int {\frac {{\text{d}}{{S}_{\vec {p}}}}{{v}_{p}}}}},}$

де ${\displaystyle W({\overrightarrow {p}},{\overrightarrow {p}}')}$ — квадрат матричного елементу переходу електронів зі стану з імпульсом ${\displaystyle {\overrightarrow {p}}}$ до стану з імпульсом ${\displaystyle {\overrightarrow {p}}'}$ при розсіюванні на фононі з енергією ħω, ${\displaystyle K({\overrightarrow {p}},{\overrightarrow {p}}')}$ — геометричний фактор Кулика, нормований на середнє по кутах значення. Інтегрування проводиться по станах на Фермі поверхні (ФП). Мікроконтактна функція ЕФВ враховує кінематику процесів розсіювання в контактах чітко визначеної геометрії, а також пружне розсіювання електронів на статичних дефектах у приконтактній області. За аналогією з іншими функція ЕФВ визначається інтегральним параметром ЕФВ у мікроконтакті λ:

${\displaystyle \lambda =2\int _{0}^{\infty }{\frac {g_{pc}(\omega )}{\omega }}{\rm {d}}\omega }$

що за порядком величини дорівнює іншим параметрам ЕФВ у даному металі. Вираз (1) аналогічний і для взаємодії електронів із магнонами, екситонами та іншими квазічастинками. Коло об'єктів, які вивчають методом МКС, містить різні інтерметалеві сплави та сполуки зі змінною валентністю, системи з важкими ферміонами, кондо-ґратки та кондо-домішки, низькорозмірні провідники, традиційні та високотемпературні надпровідники та інші актуальні матеріали.

Література

1. Физика твердого тела: энциклопедический словарь, Наукова Думка, Киев, 1995.
2. Yu. G. Naidyuk, I. K. Yanson, Point-contact spectroscopy — Springer, New-York, 2005. ISBN 978-0-387-21235-7
3. A. V. Khotkevich, I. K. Yanson, Atlas of Point-Contact Spectra of Electron-Phonon Interaction in Metals — Kluwer Academic Publishers, Boston, 1995. ISBN 978-0-7923-9526-3
4. Янсон И.К., Хоткевич А.В. (1986). Атлас микроконтактных спектров электрон-фононного взаимодействия в металлах (рос). Киев: Наукова думка. с. 143.
5. Ю. Г. Найдюк, И. К. Янсон, Микроконтактная спектроскопия, Изд. Знание, Москва, 1989. (http://arxiv.org/abs/physics/0312016)

Примітки

1. Янсон И.К. Нелинейные эффекты в электропроводности точечных контактов и электрон-фононное взаимодействие в нормальных металлах // Журн. эксперим. и теорет.физики. — 1974, No 66, вып. 3. — С. 1035—1050
2. Кулик И.О., Омельянчук А.Н., Шехтер Р.И. Электропроводность точечных микроконтактов и спектроскопия фононов и примесей в нормальных металлах // Физика низких температур. — 1977. — № 3, вып. 12. — С. 1543—1558.
3. НАУКОВІ ВІДКРИТТЯ УЧЕНИХ УКРАЇНИ, ЗРОБЛЕНІ ЗА ПЕРІОД 1938—1990 рр. (державна реєстрація). Наука та інновації. 2008. Т 4. No 5. С. 39—62. Архів оригіналу за 29 жовтня 2020.