Изображение схемы устройства, сгенерировано нейросетью
Исследователи из Австралии, России и Великобритании, среди которых — ученые из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, создали искусственный двумерный электростатический кристалл, электронные свойства которого можно непрерывно менять электрическим напряжением и магнитным полем. Статья об этой работе опубликована в журнале Nature Physics.
Настраиваемый искусственный кристалл сформирован внутри знакомой полупроводниковой структуры — слоя арсенида галлия в арсениде алюминия-галлия. Для этого ученые наложили на двумерный электронный газ (тончайший электронный слой) периодический электростатический рельеф. Меняя напряжения на двух затворах, исследователи смогли в одном и том же чипе перестраивать электронный спектр от графеноподобного к кагоме-подобному (японский термин, означающий рисунок плетения бамбуковых корзин, который стал нарицательным для обозначения типа кристаллической решетки в физике. — Прим. ред.), то есть получать разные типы энергетических зон без замены самого образца.
«Главное достижение состоит в том, что в одном и том же полупроводниковом устройстве можно электрически перестраивать искусственный кристалл и переходить от графеноподобных электронных состояний к кагоме-подобной плоской зоне, где на первый план выходят взаимодействия между электронами. Это уже не просто наблюдение отдельных минизон, а управляемая платформа для исследования коллективных квантовых состояний», — пояснил один из авторов работы, старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Виталий Анатольевич Ткаченко.
В кагоме-подобной электронной системе главную роль играет кагоме-решетка. В такой решетке электроны могут почти застывать в так называемой плоской энергетической зоне, и тогда на первый план выходят взаимодействия между электронами, их коллективное поведение. Именно при определенном заполнении электронами плоской зоны ученые обнаружили новое коллективное состояние электронов — коррелированный изолятор, свойства которого не удавалось объяснить существующими моделями.
Созданная платформа позволяет моделировать квантовые системы, которые трудно или невозможно воспроизвести в природных материалах. Свойства нового искусственного кристалла можно не только спроектировать заранее, но и перестраивать непосредственно в процессе эксперимента.
Исследование объединило изготовление и измерение образцов, одночастичное численное моделирование и многочастичную теорию. Образцы и транспортные измерения были сделаны в Университете Нового Южного Уэльса; полупроводниковые многослойные структуры арсенида галлия — арсенида алюминия-галлия предоставила Кавендишская лаборатория. Сотрудники ИФП СО РАН сопровождали эксперимент численными расчетами, оптимизировали дизайн трехмерной полупроводниковой структуры. Многочастичную модель коррелированного состояния развили специалисты из Университета Нового Южного Уэльса.
«Есть и другие способы создания искусственных кристаллических решеток. Например, их можно собирать из атомно-тонких полупроводниковых слоев, просто накладывая друг на друга как листы бумаги, но с небольшим поворотом. Из-за этого поворота образуется так называемый муаровый узор, как при наложении тюлевых занавесок — он и создает искусственную решетку. Другие исследователи берут за основу двумерный электронный газ, как в обсуждаемой работе, и с помощью травления создают в нем упорядоченно расположенные ямки нанометровых размеров.
Смысл этого направления исследований — усилить энергию взаимодействия электронов друг с другом по сравнению с их кинетической энергией, чтобы создать условия для изучения эффектов коллективного поведения электронов», — прокомментировал старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Владимирович Ненашев.
В новом устройстве дополнительную периодическую решетку создает электрическое поле: для электронов формируется искусственный пространственно-периодический потенциал, геометрия и амплитуда которого задаются конструкцией устройства и приложенными напряжениями.
В обычном кристалле электроны движутся в поле атомов, расположенных в строго определенном порядке. В новом же искусственном кристалле над тонким слоем электронов создали периодический электрический рельеф: электрон ощущает ограничения, заданные электрическим потенциалом, и начинает вести себя так, будто находится в кристалле с заданной геометрией. Причем эту геометрию можно перестраивать, меняя управляющее напряжение.
В многослойной полупроводниковой структуре из арсенида галлия — арсенида алюминия-галлия авторы работы сформировали двумерный электронный газ — тончайший слой, где электроны могут свободно двигаться, но только в одной плоскости. Всего в 25 нанометрах над двумерным электронным газом расположили металлический затвор (электрод) с регулярной треугольной сеткой отверстий. Период этой сетки — 100 нанометров, то есть в сотни раз больше расстояний между атомами в обычном кристалле.
Выше, отделенный диэлектриком, — еще один металлический затвор, который позволял менять силу периодического электрического поля. Первый затвор в основном задавал плотность электронов в двумерном электронном газе, второй — насколько сильно они чувствуют искусственную решетку. Меняя напряжение, прикладываемое к первому затвору, можно притягивать электроны к искусственному кристаллу или, наоборот, отталкивать их, тем самым управляя количеством электронов. Чем больше электронов в кристалле, тем больше энергетических зон заполнено ими. Сквозь отверстия в первом затворе проникают силовые линии электрического поля от второго затвора и выталкивают электроны из-под отверстий, иначе говоря — формируют потенциальный рельеф для электронов с вершинами под отверстиями и ямами между ними. Высота этого рельефа, задающего двумерный искусственный кристалл, управляется напряжением, приложенным ко второму затвору.
Управляя электростатическом потенциалом, ученые обнаружили, что при слабом потенциале электроны ведут себя почти как свободные частицы. По мере увеличения потенциала начинают формироваться новые энергетические зоны (минизоны). Энергетические зоны — это набор значений энергий, которыми могут обладать электроны.
Сначала — при увеличении потенциала — возникает структура, аналогичная графену. В ней появляются так называемые дираковские конусы — особые точки, где электроны начинают вести себя как почти безмассовые частицы. При дальнейшем увеличении система перестраивается еще сильнее и превращается в электронный аналог кагоме-решетки. Именно такая геометрия давно интересует физиков, поскольку в ней могут возникать необычные коллективные квантовые состояния.
Самым важным результатом работы стало формирование так называемой плоской энергетической зоны: обычно энергия электронов сильно зависит от их импульса. В плоской зоне эта зависимость практически исчезает. Дело в том, что в квантовой механике электрон распространяется как волна, а кагоме-решетка устроена так, что электронные волны от соседних узлов решетки гасят друг друга — в результате движение электрона замедляется, а его кинетическая энергия вместе с шириной энергетической зоны уменьшаются. Можно сказать, что электроны почти перестают двигаться поодиночке, а их собственное кулоновское отталкивание начинает определять поведение всей системы. Подобные плоские зоны сегодня считаются одной из самых перспективных площадок для поиска новых состояний вещества, включая экзотическую сверхпроводимость и необычные магнитные фазы.
Ширина обнаруженной плоской зоны оказалась исключительно малой — около 0,2 миллиэлектронвольта, тогда как энергия взаимодействия между электронами примерно в пять раз больше. Это означает, что система находится в режиме очень сильных корреляций, когда поведение каждой частицы определяется всеми остальными.
Когда плоская зона была заполнена электронами наполовину, исследователи увидели резкий скачок электрического сопротивления. Система внезапно становилась практически изолятором. Обычные модели не смогли объяснить этот эффект. Более того, оказалось, что очень слабое магнитное поле — всего около 0,1 тесла — почти уничтожает этот изолирующий режим, хотя энергетическая щель состояния остается практически неизменной. Такое поведение указывает на совершенно необычную природу нового состояния.
Авторы предложили оригинальное объяснение наблюдаемому эффекту. Согласно их модели, электроны не расположены на отдельных узлах решетки, а коллективно делокализуются внутри маленьких треугольников кагоме-решетки, при этом образуя замкнутые круговые токи. Каждый такой ток создает собственный магнитный момент. В результате в двумерном электронном газе возникает сеть миниатюрных токовых колец, случайно ориентированных друг относительно друга. Небольшое внешнее магнитное поле упорядочивает кольцевые токи, уменьшая рассеяние электронов и резко снижая сопротивление. Исследователи назвали новое состояние петлевым токовым вигнеровским изолятором (loop-current Wigner insulator).
Созданию работающего устройства предшествовало длительное расчетное сопровождение. С помощью трехмерного электростатического моделирования с учетом экранирования исследователи определяли, как параметры многослойной полупроводниковой структуры, расстояние до двумерного электронного газа и конструкция затворов влияют на амплитуду периодического потенциала и на размытие энергетических зон (минизон) случайным беспорядком.
Сопоставление численного моделирования с экспериментом в широком диапазоне концентраций электронов и магнитных полей позволило надежно идентифицировать особенности минизонной структуры и установить, какие из наблюдаемых эффектов не объясняются одночастичной физикой.
«Путь от первоначальной идеи и расчетов до работающего устройства занял много лет. Решающее значение имели качество нелигированной гетероструктуры, точность нанолитографии и возможность независимо управлять плотностью электронов и силой периодического потенциала. Экспериментаторам удалось реализовать режим, в котором минизонная структура не скрыта беспорядком и становится доступной для детального транспортного исследования», — отметил Виталий Ткаченко.
Новая электронная платформа открывает путь к изучению синтетических квантовых систем с плоскими зонами, дальнодействующими взаимодействиями, орбитальными токами и возможными необычными топологическими свойствами.
Пресс-служба ИФП СО РАН
Изображение схемы устройства сгенерировано нейросетью
