Физики из Австралии, России и Великобритании создали искусственный двумерный электростатический кристалл, электронные свойства которого можно непрерывно менять электрическим напряжением и магнитным полем. 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 «кагомеподобному», 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 кагомеподобной 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 Ткаченко.
В кагомеподобной электронной системе главную роль играет кагоме-решётка. 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 учёные 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. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
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–алюминия галлия арсенида предоставила Кавендишская лаборатория. Сотрудники Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН кандидаты физико-математических наук Ольга и Виталий Ткаченко сопровождали эксперимент численными расчётами, оптимизировали дизайн трёхмерной полупроводниковой структуры. Многочастичную модель коррелированного состояния развили Олег Сушков и Зеб Крикс из Университета Нового Южного Уэльса.
«Есть и другие способы создания искусственных кристаллических решеток. Например, их можно “собирать” из атомно-тонких полупроводниковых слоёв, 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.
Обсуждаемая работа выгодно отличается большей управляемостью искусственного двумерного кристалла с помощью изменения напряжений, прикладываемых к двум металлическим затворам. Этого удалось достичь, объединив усилия по разработке дизайна структур с помощью компьютерного моделирования (ИФП СО РАН, Новосибирск), созданию двумерного электронного газа высочайшего качества (Кавендишская лаборатория, Кембридж) и изготовлению образцов искусственного кристалла (Университет Нового Южного Уэльса)», — комментирует коллега авторов статьи, старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Ненашев, специалист в области моделирования квантовых явлений в низкоразмерных материалах.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
