¿Cómo confirmar una fase de onda de densidad de carga (CDW) experimentalmente? ¿Cuáles son los comportamientos de transporte de la fase CDW?

Una onda de densidad de carga, dependiendo de su amplitud y la cantidad de superficie de Fermi que se agota, puede tener firmas en muchos experimentos diferentes o solo en unos pocos.

Para revisar, una onda de densidad de carga es una modulación de la densidad electrónica (generalmente) acompañada de una distorsión de la red iónica. El primero es directamente observable en experimentos de dispersión que se acoplan a electrones, como rayos X o difracción de electrones. Este último es observable mediante experimentos de dispersión que se acoplan al núcleo, como la dispersión de neutrones. Además, las ondas de densidad de carga dan como resultado la separación total o parcial de la superficie de Fermi (ver: la respuesta de Inna Vishik a ¿Cómo se puede explicar la onda de densidad de carga utilizando el vector de onda de anidación de Fermi?), Lo que arrojará firmas en experimentos que son sensibles a la fermiología. y huecos espectrales, que incluyen transporte, óptica, ARPES y túneles.

Fuente de la imagen: ChargeDensityWave

Ilustraré cómo el orden de CDW generalmente se confirma experimentalmente, usando TbTe3 como ejemplo porque este es el material con el que estoy más familiarizado.

Transporte: la mayoría de los fenómenos de ordenamiento en la física de la materia condensada se descubren inicialmente mediante el transporte, y CDW no es diferente. En un material nuevo, la primera sospecha de un CDW generalmente proviene de una anomalía (específicamente, la resistividad aumenta con la disminución de la temperatura en algún rango de temperatura) en la resistividad. En principio, una serie de fenómenos puede causar una anomalía de resistividad, por lo que dicha observación no constituye una prueba de CDW, pero si uno tiene cálculos de estructura de banda en la mano que muestran una fermiología que conduce a tal inestabilidad, la sugerencia de CDW Está bien fundado. En la imagen a continuación, la resistividad comienza a aumentar por debajo de la temperatura CDW (marcada por la línea discontinua vertical) porque la transición reduce la densidad de los estados en una parte de la superficie de Fermi, pero finalmente, la resistividad metálica (que disminuye con la disminución de la temperatura) se reanuda porque parte de la superficie de Fermi permanece metálica.

fuente de la imagen: N. Ru et al. Physical Review B 77 , 035114 (2008)

rayos X o difracción de electrones: la ‘prueba’ para CDW en un material dado generalmente proviene de experimentos de difracción que muestran una superestructura: picos de Bragg más pequeños lejos de los picos de Bragg nucleares que aparecen a la temperatura de inicio de CDW.

CDW en el compuesto relacionado SmTe3, medido por TEM. Los picos estructurales de Bragg son intensos y etiquetados, y los satélites CDW son los picos más débiles en el medio. Fuente de la imagen: E. DiMasi et al, Physical Review B 52 14516 (1995)

La microscopía de túnel de barrido (STM) puede detectar una serie de características relacionadas con el inicio de CDW, incluida la modulación de carga, la distorsión periódica de la posición atómica y la apertura de una brecha en la densidad de los estados.

Escaneo topográfico STM (arriba) en el que diferentes colores indican magnitud y signo de distorsión de posición atómica. El panel inferior muestra una brecha en el comportamiento del túnel. Todos los datos a 6K. Fuente de la imagen: A. Fang et al, Physical Review Letters 99 , 046401 (2007).

La espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) puede mostrar directamente qué partes de la superficie de Fermi están separadas por el CDW. Esto puede orientar si la CDW está impulsada por el anidamiento de la superficie de Fermi (vector q que conecta dos segmentos paralelos de la superficie de Fermi [matemática] T> T_ {CDW} [/ matemática] es lo mismo que el vector q de los picos de satélite en rayos X o difracción de electrones) o por algo más exótico.

Fermi superficie de TbTe3 debajo (arriba) y cerca (abajo) de la temperatura de inicio de CDW. La imagen superior muestra segmentos de la superficie de Fermi que están separados por CDW. Fuente de la imagen: F. Schmitt et al, New Journal of Physics 13 , 063022 (2011)

Estos son algunos experimentos utilizados habitualmente para identificar y caracterizar ondas de densidad de carga. Cabe señalar que debido a que el orden CDW afecta la red, los electrones y la superficie de Fermi, tiene firmas en una amplia variedad de experimentos, cada uno de los cuales nos puede enseñar algo nuevo.