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量子常誘電体の物理

量子常誘電体の物理. 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 田中耕一郎. 平成１５年１０月２１日　　奈良先端科学技術大学院大学にて. OUTLINE. 量子常誘電体の何が面白いか？ 誘電応答 強誘電体 量子常誘電体の誘電特性 外因性強誘電相転移 誘電体の低周波ゆらぎ 　ーペロブスカイト酸化物の光散乱実験 ラマン散乱、ハイパーレーリー／ラマン散乱 光照射による巨大誘電性の発現. 誘電応答. The electric susceptibility comes from polarizability in the material. 分極.

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量子常誘電体の物理

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Presentation Transcript

  1. 量子常誘電体の物理 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 田中耕一郎 平成１５年１０月２１日　　奈良先端科学技術大学院大学にて

  2. OUTLINE 量子常誘電体の何が面白いか？ 誘電応答 強誘電体 量子常誘電体の誘電特性 外因性強誘電相転移 誘電体の低周波ゆらぎ 　ーペロブスカイト酸化物の光散乱実験 ラマン散乱、ハイパーレーリー／ラマン散乱 光照射による巨大誘電性の発現

  3. 誘電応答 The electric susceptibility comes from polarizability in the material.

  4. 分極 ex. NO2

  5. 周波数応答

  6. 誘電LOSS

  7. A V 誘電緩和測定 等価回路 e=e1-ie2 揺らぎを直接図る 交流インピーダンス測定 0.1 Hz – 1GHz

  8. 共鳴型 The Damped Forced Oscillator A damped forced oscillator is a harmonic oscillator experiencing a sinusoidal force and viscous drag. We must add a viscous drag term: The solution is now: The electron still oscillates at the light frequency, but with an amplitude and a phase that depend on the relative frequencies.

  9. LST relation Lorentz oscillator model

  10. デバイ緩和１

  11. デバイ緩和２ Cole-cole plot 円の分散関係　　円の直径が振動子強度 　　　　　　　　　　　虚部が極大のときの1/wがt

  12. 強誘電体とは

  13. 秩序・無秩序型と変位型 秩序・無秩序型 NaNO2 緩和型 高温　　　　　　　　　　　　　　　　　　低温 変位型 BaTiO3 共鳴型 Soft optical mode

  14. 強誘電体　NaNO2 誘電率の相転移点近傍での発散的増大 強誘電相 常誘電相 自発分極の存在 沢田正三　 新強誘電体の発見をめぐって より引用

  15. キューリー・ワイス則 共鳴型 緩和型 ソフト化 臨界緩和 一般的なソフトモードの概念

  16. SOJT effect 変位型相転移のメカニズム

  17. Band picture

  18. なぜBaTiO3は強誘電体か？

  19. Torelance factor KNbO3 ABO3 LaAlO3 KTaO3 LiNbO3 PbTiO3 LiTaO3 CdTiO3 CaTiO3 SrTiO3 BaTiO3 Torelance factor 0.8 0.9 1.0 Ilmenite Structure Distorted Cubic Perovskite Structure

  20. Torelance factor KNbO3 LaAlO3 KTaO3 ABO3 LiNbO3 PbTiO3 LiTaO3 CdTiO3 CaTiO3 SrTiO3 BaTiO3 Torelance factor 0.8 0.9 1.0 Ilmenite Structure Distorted Cubic Perovskite Structure

  21. 量子常誘電性 ーSrTiO3を例にして • Typical Perovskite type dielectric. • Quite large e (>10000 below 10K). • Quantum-paraelectric (T<37K).

  22. 量子常誘電相 ペロブスカイト酸化物結晶SrTiO3 、KTaO3 量子ゆらぎにより低温でも局所的な分極が生成されない。

  23. where T1 = 84 K (saturation temperature), T0 = 38 K (Curie-Weiss temperature), C = 9 · 104 K (Curie constant) in STO. Barrett formula Generally permittivity is well described by the Barrett formula which one can obtain in the mean field approximation treating the ionic polarizability quantum mechanically:

  24. Quantum paraelectricity 伊藤（東工大　）による

  25. 不純物添加による強誘電性発現 １％以下の添加でも劇的に変化

  26. Li dope effect in KTO P

  27. 吸収端構造 光散乱の温度変化

  28. Isotope effect on dielectricity 東工大　伊藤ら 例えば、

  29. 量子常誘電体は何が面白いのか？ • 量子臨界点近傍のマクロな物性 • ゆらぎの原因は何か？ • 大きなε　→　大きな局所電場 • 巨大な非線形効果があらわれるか？ • 光キャリアによる制御

  30. 誘電体の低周波ゆらぎー光散乱の実験 誘電分散 光散乱 ペロブスカイト量子常誘電体 ラマン散乱、 ハイパーレーリー／ラマン散乱

  31. 直接光学活性な揺らぎをみる • 可視光吸収、（遠）赤外吸収、誘電応答 electronic vibrational dielectric 反転対称のある物質では、対称なモードしか ラマン散乱実験では見えない。 反対称なモードは吸収や電磁波に対する応答（反射、複素インピーダンス）がある。 散乱実験でも「非線型光学過程」をもちいると、 反対称なモードを観測可能。

  32. QPE in SrTiO3 ここで何がおきているのか？

  33. 量子常誘電体の光散乱

  34. 誘電率の揺らぎによる電磁波の散乱

  35. 臨界タンパク光 混合液体系(Binary Liquid system)の例 Hexane（Ｃ６Ｈ１４）　　：　Methanol（ＣＨ３ＯＨ） = 6 : 4 (in mol ) ~ 5 : 1 (in volume) 温度計 Hexane-rich phase ２成分の界面 Methanol-rich phase

  36. 臨界タンパク光 - Opalescence 光の波長程度の粒径に液滴が成長したときに、強く光が散乱される。

  37. Partially Miscible Binary Systemshexane and methanol • Begin with pure A (left side of graph). Only have one phase. • As B is added: • Below the saturation limit, there will only be one phase • Above the saturation limit, there will be two phases. • In this diagram, the composition of one of the phases is a’ and the composition of the other phase is a”. • Eventually enough B is added such that A is actually dissolved in B and you once again only have one phase. • Above Tuc (the upper critical temperature), the two liquids are miscible in all proportions. • No phase separation occurs. Mole fraction of methanol,

  38. Power spectrum of the scattering wave • Wiener-Khinchin theorem エルゴード性が成り立つときはアンサンブル平均になる。

  39. 等方的媒質による散乱 • 誘電率の揺らぎテンソル 通常小さい 密度揺らぎ　温度揺らぎ 空間フーリエ変換 密度揺らぎの時間空間相関関数

  40. 動的構造因子 • 動的構造因子 • 構造因子 • 散乱強度

  41. 光散乱の性質 • 散乱のパワースペクトルは動的構造因子のフーリエ変換に比例する。 • 動的構造因子を実験的に決定可能 • 散乱光強度は入射周波数の４乗に比例 • 青い空、夕焼け

  42. 光散乱の性質 • 散乱のパワースペクトルは動的構造因子のフーリエ変換に比例する。 • 動的構造因子を実験的に決定可能 • 散乱光強度は入射周波数の４乗に比例 • 青い空、夕焼け • 偏光 • 空の偏光 • 密度ゆらぎの増大によって大きく散乱される。 • 臨界タンパク光、Mie散乱 • エネルギー保存

  43. 火星の夕焼けーMie散乱 NASAMARS PATHFINDER

  44. 光散乱過程で見える空間揺らぎのスケール • 散乱ベクトルの角度依存性 フォノン、固体中の電子のもつ最大波数　　　　　　ユニットセル or 原子間距離　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ブリルアンゾーン　　　　108 cm-1 Γ点近傍 可視光　400-700 nm 1.5-3 x 105 cm-1 X線シンクロトロン放射光　　　　　　　　　　107-108cm-1 全体

  45. Raman scattering 分子振動や光学モードによる散乱 高分解能　　ダブル分光器　or　トリプル分光器　＋ＣＣＤ 高効率　　　ノッチフィルター＋シングル分光器　＋ＣＣＤ 0.1-10 THz 1mW 60s

  46. 固体のブリルアン散乱、ラマン散乱 • 散乱電場 結晶の振動モード（フォノン）によって誘電率が時間的に揺らぐ Raman tensor Stokes Anti-Stokes

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