Книги по разным темам
Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 4 Низкочастотное поведение оптических эффектов пространственной дисперсии й В.Н. Гриднев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: gridnev@pop.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 7 июля 2000 г.) Дано теоретическое объяснение наблюдавшейся недавно в полупроводниках Cd1-xMnxTe, Zn1-xMnxTe и GaAs независимости от частоты невзаимного двупреломления света в области частот, меньших частоты, соответствующей краю межзонного поглощения. Показано, что при таких частотах симметрия эффекта повышается, если энергия рождаемых светом возбуждений n(k) слабо зависит от импульса фотона k.В этом случае невзаимное двупреломление полностью определяется тензором второго ранга Ч магнитоэлектрическим тензором. Указано на возможность наблюдения невзаимного двупреломления света в магнитных средах с тензорным параметром порядка.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 99-02-18028) и программой ФФундаментальная спектроскопияФ.
В недавно опубликованных работах [1,2] был экспери- невзаимного двупреломления. Оказалось, что при этих (s) ментально обнаружен ряд необычных свойств двупрелочастотах тензор ikl имеет более высокую симметрию по мления света n(), индуцированного внешним магнитсравнению с той, которая допускается точечной группой ным полем в кубических полупроводниках Cd1-xMnxTe, кристалла. Другими словами, при < Eg между (s) Zn1-xMnxTe и GaAs. Одно из них состоит в незанекоторыми компонентами тензора ikl возникают соотвисимости двупреломления от частоты при энергиях ношения, указывающие на повышение его симметрии и кванта света, меньших ширины запрещенной зоны не зависящие от исследуемого кристалла.
Eg (исключая малую область частот 0.2eV вблиВ настоящей работе мы дадим объяснение перечислензи Eg). На первый взгляд в такой независимости ным выше особенностям невзаимного двупреломления.
двупреломления от частоты нет ничего удивительного, С этой целью рассмотрим зависимость от частоты тензотак как обычное двупреломление (в оптически анизора оптической диэлектрической проницаемости кристалтропных кристаллах) также практически не зависит от ла при частотах, меньших частот электронных перехочастоты в области прозрачности. Однако эти явления дов. Зависящий от волнового вектора вклад ik(, k) существенно различаются, поскольку магнитоиндуциро- в действительную часть тензора диэлектрической прониванное двупреломление является эффектом линейной цаемости при нулевой температуре имеет вид [3] пространственной дисперсии, т. е. связано с зависящим от волнового вектора света k вкладом в тензор оптиik(, k) = 2V ческой диэлектрической проницаемости кристалла со(s) (s) i k k i отношением ik(, k, ) = ikl (, )kl, где ikl Ч J0,n-k(k)Jn-k,0(-k) J0,nk(-k)Jnk,0(k) +, (1) T -нечетный, симметричный по индексам i и k тензор, а n-k - nk + n символ обозначает T-нечетную величину, характеризующую состояние среды (или внешнее магнитное поле) где J(k) Ч Фурье-компонента оператора тока, r и и в общем случае являющуюся по отношению к про- v Ч операторы координаты и скорости -й частицы странственным преобразованиям некоторым тензором.
соответственно, nk Ч энергия перехода из основного (s) состояния |0 в возбужденное |nk.
Нечетность тензора ikl по отношению к обращению При малых волновых векторах k матричный элемент времени следует из соотношений симметрии Онсагера i Jnk,0(k) можно разложить по степеням k. В линейном по ik(, k, ) = ki(, -k, -). Как и оптическая k приближении имеем активность, которая описывается T-четным, антисимме(a) тричным по i и k тензором ikl, невзаимное двупреломлеi s Jnk,0(k) =in Di + Qil kl + ieilsMn0kl, (2), n0 nние может наблюдаться только в нецентросимметричных кристаллах. Различие между обычным и невзаимным дву- где n = n0 и |n = |nk = 0. Это разложение является преломлением на феноменологическом уровне отражает общим, однако явный расчет параметров разложения s существенные отличия в микроскопической природе обо- Di, Qil и Mn0 зависит от принятой модели электронных n0 nих явлений. состояний кристалла.
Помимо частотной независимости n() при преломление соответственно. Поскольку нас интересует Именно такое поведение n() и было обнаружено ik(, k) при частотах, малых по сравнению с частота- экспериментально [1,2] в полупроводниках Cd1-xMnxTe, ми электронных переходов n, разложим выражение (1) Zn1-xMnxTe и GaAs при по степеням параметра /n и удержим первые два чле- Рассмотрим теперь симметрийные свойства тензора (s) на разложения. Непосредственным вычислением легко ikl, представленного выражением (3). Два первых убедиться, что первый член разложения (содержащий слагаемых в правой части (3) определяются тензором нулевую степень параметра /n) антисимметричен по второго ранга is. При переходе к однородному полю индексам i и k. Поскольку мы рассматриваем линейные вклад этих слагаемых в электромагнитный отклик срепо k слагаемые, этот член мог бы вносить вклад в ды соответствует магнитоэлектрическому эффекту [8]. оптическую активность. Однако в силу хорошо известПоэтому тензор is, определяемый выражением (4), ных в теории оптической активности правил сумм [4] можно интерпретировать как часть полного магнитоэтот член в точности равен нулю. Ненулевой вклад в электрического тензора, обусловленную электронными оптическую активность возникает только при учете ква- (s) переходами, а соответствующий вклад в ikl мы будем дратичных по параметру /n членов разложения (1). называть магнитоэлектрическим. Последнее слагаемое в Соответствующие выражения хорошо известны, и мы (3), т. e. тензор ikl, в общем случае нельзя свести к не будем их здесь приводить. Отметим только, что тензору второго ранга; другими словами, он содержит поворот плоскости поляризации пропорционален 2 в в себе неприводимый тензор третьего ранга, который, рассматриваемой области частот. следуя [5], мы будем называть квадрупольным. Важно, Перейдем теперь к рассмотрению невзаимного двучто квадрупольный и магнитоэлектрический вклады в преломления, описываемого линейными по параметру невзаимное двупреломление можно разделить экспери/n членами разложения (1). Действительно, эти ментально [1,2]. Это разделение основано на различчлены симметричны по индексам i и k и, как следствие ной угловой зависимости невзаимного двупреломления, соотношений Онсагера, являются T -нечетными. Таким обусловленного магнитоэлектрическим и квадруполь(s) образом, получаем следующее выражение для ikl : (s) ным вкладами в ikl, от ориентации кристалла. Ана(s) лиз этой зависимости для кубических полупроводниikl = eilsks + eklsis + ikl, (3) ков Cd1-xMnxTe и Zn1-xMnxTe (x 0.4), выполненный в [1,2], показал, что в области прозрачности при где s s < Eg, где n() const, квадрупольный вклад Di Mn,0 + Di M0,n 0,n n,is =, (4) в n() значительно меньше магнитоэлектрического. V n n Аналогичное поведение было обнаружено в диэлектри4 Di Dk + Dk Di nk ках Cr2O3 [9] и Co3B7O13I [10]. Первый их них является 0n n0 n0 0n ikl =. (5) антиферромагнетикомЦмагнитоэлектриком, поэтому не V n kl kn взаимное двупреломление является в нем спонтанным Как видно из этих формул, матричные элементы опеэффектом. В парамагнетике Co3B7O13I двупреломление ратора электрического квадрупольного момента Qil не nсоздавалось внешним магнитным полем. (s) входят в выражения (3)Ц(5), определяющие ikl при Отсутствие заметного квадрупольного вклада в динизких частотах. Последнее слагаемое в (3), т. e. тенэлектиках Cr2O3 и Co3B7O13I легко объяснить, если зор ikl, отражает существующую в трансляционноучесть, что этот вклад, как видно из (5), пропорционален инвариантной среде зависимость энергии возбуждения n/k, т. е. зависит от дисперсии электронных воз(электрон-дырочной пары) от k и не равно нулю, только буждений. Однако в диэлектриках с большой шириной если nk = n-k. B [5] было получено общее выражение запрещенной зоны, какими и являются эти кристаллы, (s) для тензора ikl, справедливое при любой частоте света. дисперсия мала (а в Cr2O3 k/k = 0 при k = 0 по Однако рассмотрение в [5] велось применительно к условиям симметрии), а следовательно, мал квадруполь(s) антиферромагнетикуЦмагнитоэлектрику Cr2O3, свойства ный вклад в ikl. симметрии которого диктуют равенство nk = n-k. По Сложнее понять причины относительной малости этой причине полученное в [5] выражение для тензора квадрупольного вклада в магнитных полупроводниках (s) ikl не содержит вклада, обусловленного производной Cd1-xMnxTe и Zn1-xMnxTe, где дисперсия электронных n/k. В полупроводниках со структурой цинковой возбуждений существенна. Учитывая, что эксперименты обманки зависимость n от k в магнитном поле в проводились на образцах со значительной концентрацией экситонной области спектра исследовалась в [6,7]. ионов Mn2+ (x 0.4), можно предположить, что сущеВ оптических экспериментах по распространению свественный вклад в эффект вносят d-d-переходы в ионе та k и связаны соотношением ck()/ = n(), где Mn2+. Обычно вклад этих переходов в оптические конn() Ч показатель преломления, причием в области станты твердых тел мал, поскольку матричные элементы частот < n n() const. Поскольку невзаимное оператора электрического дипольного момента D0n для (s) двупреломление n ikl kl, то, как следует из (3)Ц(5), них отличны от нуля лишь благодаря относительно 6 Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 658 В.Н. Гриднев слабой нецентросимметричной части кристаллического Список литературы поля. Однако эта малость сказывается лишь на опти[1] B.B. Krichevtsov, R.V. Pisarev, A.A. Rzhevsky, V.N. Gridnev, ческих эффектах, существующих в электродипольном H.-J. Weber. Phys. Rev. B57, 23, 14 611 (1998). приближении (в частности, без учета магнитодипольных [2] Б.Б. Кричевцов, Р.В. Писарев, А.А. Ржевский, В.Н. Гридпереходов), и не играет роли в данном случае, поскольку нев, Х.-Ю. Вебер. ЖЭТФ 114, 3, 1018 (1998). s произведение матричных элементов Di Mn,0 всегда от0,n [3] В.М. Агранович, В.Л. Гинзбург. Кристаллооптика с учетом лично от нуля лишь благодаря нецентросимметричности пространственной дисперсии и теория экситонов. Наука, кристалла. Поэтому вклад d-d-переходов в ионе Mn2+ М. (1979). 432 с. в магнитоэлектрический тензор (4) может быть сравним [4] В.М. Агранович. Теория экситонов. Наука, М. (1968). с вкладом в этот тензор от междузонных переходов. 382 с. [5] R.M. Hornreich, S. Shtrikman. Phys. Rev. 171, 3, 1065 (1968). В то же время d-d-переходы хорошо локализованы [6] О.В. Гоголин, В.А. Цветков, Е.Г. Цицишвили. ЖЭТФ 87, 3, и поэтому не вносят существенного вклада в квадру1038 (1984). польный тензор ikl. Это предположение можно было [7] Е.Г. Цицишвили. ФТП 20, 2, 650 (1986). бы проверить, определяя относительную роль квадру[8] Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Электродинамика сплошных польного вклада в невзаимное двупреломление в полусред. Наука, М. (1992). 661 с. проводниках, не содержащих ионы Mn2+. Измерения [9] B.B. Krichevtsov, V.V. Pavlov, R.V. Pisarev, V.N. Gridnev. Phys. частотно-независимого невзаимного двупреломления в Rev. Lett. 76, 26, 4628 (1996). CdTe, ZnTe и GaAs были выполнены в [11], однако из-за [10] B.B. Krichevtsov, A.A. Rzhevsky, H.-J. Weber. Phys. Rev. B61, малости n, связанной в том числе с отсутствием обмен15, 10 084 (2000). ного усиления междузонных переходов ионами Mn2+, [11] Б.Б. Кричевцов, Р.В. Писарев, А.А. Ржевский, Х.-Ю. Вебер. Письма в ЖЭТФ 69, 7, 506 (1999). надежное разделение магнитоэлектрического и квадру[12] В.Н. Гриднев. Письма в ЖЭТФ 69, 7, 510 (1999). польного вкладов в n оказалось невозможным. Тем не менее, несмотря на остающуюся неопределенность в интерпретации этих экспериментов, из предыдущего рассмотрения можно сделать вывод о существенном влиянии дисперсии электронных возбуждений на невзаимное двупреломление. Такое влияние Ч характерная черта оптических эффектов пространственной дисперсии, причем в данном конкретном случае оно проявляется особенно отчетливо, определяя не только величину, но и симметрию эффекта. В заключение укажем на возможность наблюдения невзаимного двупреломления в среде, магнитная структура которой характеризуется тензорным параметром порядка, а именно тройным коррелятором микроскопической плотности магнитного момента mi(r1)mk(r2)ml(r3), при условии, что такой коррелятор является нечетным относительно пространственной инверсии. При этом среднее значение m(r) может быть равным нулю. Действительно, в этом случае тензор ikl в (3), имеющий такие же свойства симметрии, можеть быть отличен от нуля. Такую магнитную структуру трудно обнаружить с помощью традиционных резонансных и рентгенографических методов. Если же тройной коррелятор плотности магнитного момента является четным относительно пространственной инверсии, то в среде с такой магнитной структурой должно наблюдаться квадратичное по волновому вектору света k фарадеевское вращение [12]. Разлагая (1) по степеням k и /n, легко показать, что при малых частотах угол поворота плоскости поляризации света 2, т. е. ведет себя так же, как и при обычном фарадеевском вращении. В то же время при высоких частотах квадратичное по k фарадеевское вращение () const [12]. Автор благодарит Б.Б. Кричевцова и Р.В. Писарева за обсуждение затронутых в статье вопросов.
Книги по разным темам
