К вопросу о "высокотемпературных" осцилляциях магнетосопротивления висмута в ультраквантовом пределе

К вопросу о "высокотемпературных" осцилляциях магнетосопротивления висмута в ультраквантовом пределе

д. ф.-м. н. Богод Ю.А.

Проанализированы свойства "высокотемпературных" осцилляций магнетосопротивления висмута в ультраквантовом пределе. Имеющиеся экспериментальные результаты несовместимы с физической моделью [22-24] и описываются с помощью модели [20,21].

"Высокотемпературные" осцилляции (ВТО) впервые наблюдались в 1973г. [1] при изучении магнетосопротивления висмута. Одной из отличительных особенностей, послужившей причиной выбора названия эффекта, является слабое температурное затухание амплитуды осцилляций, что делает возможным их наблюдение в диапазоне от  до  (  температура, циклотронная частота,  постоянная Больцмана). Период ВТО в обратном магнитном поле примерно в 2-2.5 раза меньше периода осцилляций Шубникова-де Газа, и не зависит от ферми-энергии .

К настоящему времени ВТО детально изучены в монокристаллах Bi высокой чистоты, монокристаллических сплавах , а также в сплавах с донорными и акцепторными примесями () [2-11]. Кроме того, изучались ВТО термоэдс [12,13], влияние на свойства осцилляций магнетосопротивления всестороннего сжатия и одноосных деформаций [14,15], роль сильного магнитного поля [5, 16-19].

Существуют две альтернативные модели, в которых сделана попытка описать свойства ВТО. Согласно первой из них [20,21] причиной возникновения ВТО являются электрон-дырочные переходы у границ энергетических зон. Возможность таких переходов связана с тем обстоятельством, что в висмуте даже при низких температурах число занятых состояний носителей заряда над ферми-уровнем (вблизи границ соседних зон) достигает  и определяется уширением энергетических уровней, обусловленным релаксационными процессами [21]. В рассматриваемой модели период ВТО в случае квадратичного закона дисперсии связан с энергией перекрытия , равной сумме ферми-энергий электронов и дырок , и циклотронной массой носителей заряда.

В работах [22-24] предложена модель, согласно которой осцилляции возникают в результате электрон-дырочных переходов между экстремумами подзон Ландау вблизи ферми-уровня. При этом циклотронные массы электронов и дырок должны быть кратны. В модификации данной модели [25] период осцилляций определяется комбинированной площадью  где - площади экстремальных сечений электронной и дырочной ферми-поверхностей, а отношение целое число, равное отношению циклотронных масс дырок и электронов.

Тестом при выборе модели могут служить свойства висмута в ультраквантовом пределе: согласно [22-24] в этих условиях ВТО исчезают вместе с осцилляциями Шубникова-де Гааза, а по [20,21] в ультраквантовом пределе ВТО продолжают наблюдаться. Ниже экспериментальные результаты, полученные в сильных магнитных полях, обсуждаются с данных позиций.

1.Магнитное поле параллельно биссекторной оси (Н||C1).

В данных условиях реализуются экстремальные сечения электронных ферми-поверхностей с циклотронными массами  (легкие электроны), и экстремальное сечение дырочной ферми-поверхности с циклотронной массой (тяжелые дырки). Отношение спинового и орбитального расщеплений для электронов  для дырок  [26-29]. В районе 25 кэ электроны переходят в ультраквантовый предел [29-30]. Согласно данным работ [5,17] (в которых эксперименты проводились с помощью разных методик) ВТО продолжают наблюдаться вплоть до 56-60 кэ- максимальных магнитных полей в цитируемых работах. Наблюдение ВТО в ультраквантовом пределе противоречит объяснению их происхождения в рамках рассмотрения [23-25] и согласуется с моделью [20,21].  

2. Магнитное поле параллельно бинарной оси (Н||C2).

В этой геометрии наблюдаются легкие электроны ( ), тяжелые электроны () и тяжелые дырки (). В магнитном поле, большем 15 кэ, легкие электроны переходят в ультраквантовый предел [29-30,18]. Далее, в магнитном поле Н120 кэ дно зоны тяжелых электронов пересекает ферми-уровень (исчезают электронные осцилляции Шубникова-де Газа). В работе [18] сообщается о наблюдении при Н111 кэ последнего экстремума ВТО, что также связывается с пересечением дна электронной зоны и ферми-уровня. Данное обстоятельство автор работы [25] рассматривает как подтверждение физической модели ВТО, предложенной в [22-24]. Однако этой модели противоречит некратность циклотронных масс тяжелых электронов и дырок для данного направления Н.