Международное сотрудничество всё ещё приносит плоды
Учёные из России, Австралии и Британии разработали искусственный двумерный электростатический кристалл, электронные свойства которого можно изменять с помощью электрического напряжения и магнитного поля.
Как сообщает сайт Академии наук РФ, исследователи создали настраиваемый искусственный кристалл в полупроводниковой структуре — слое арсенида галлия, расположенном в арсениде алюминия-галлия. Они наложили на двумерный электронный газ периодический электростатический рельеф. Изменяя напряжение на двух затворах, учёные смогли в одном и том же чипе переходить от «графеноподобных» электронных состояний к «кагоме-подобным», меняя типы энергетических зон без замены самого образца.
«Ключевое достижение заключается в том, что мы можем электрически перестраивать искусственный кристалл в одном и том же полупроводниковом устройстве, переходя от графеноподобных состояний к кагоме-подобной плоской зоне с преобладанием взаимодействий между электронами. Теперь это не просто наблюдение отдельных минизон, а управляемая платформа для исследования коллективных квантовых состояний», — отметил Виталий Ткаченко, кандидат физико-математических наук и старший научный сотрудник Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН.
В кагоме-подобных системах важную роль играет кагоме-решётка, в которой электроны могут почти «застывать» в плоской энергетической зоне, акцентируя внимание на их коллективном поведении. При определённом заполнении этой зоны исследователи обнаружили новое коррелированное изоляционное состояние, свойства которого не могли объяснить существующие модели.
Созданная платформа позволяет моделировать сложные квантовые системы, которые трудно или невозможно воспроизвести в природе. Свойства нового искусственного кристалла можно не только заранее спроектировать, но и изменять в процессе эксперимента.
Исследование включало изготовление и измерение образцов, одночастичные численные расчёты и многочастичную теорию. Экспериментальные образцы и транспортные измерения были выполнены в Университете Нового Южного Уэльса; полупроводниковые структуры предоставила Кавендишская лаборатория. Сотрудники ИФП СО РАН, Ольга и Виталий Ткаченко, провели численные расчёты, оптимизировали дизайн трёхмерной полупроводниковой структуры. Многочастичную модель коррелированного состояния разработали Олег Сушков и Зеб Крикс из Университета Нового Южного Уэльса.
«Существуют и другие методы создания искусственных кристаллических структур. Например, их можно "собирать" из атомно-тонких полупроводниковых слоёв, накладывая их друг на друга с небольшим поворотом, что создаёт муаровый узор. Другие исследователи используют двумерный электронный газ и создают в нём упорядоченные нанометровые ямки с помощью травления.
Цель этих исследований — увеличить энергию взаимодействия электронов по сравнению с их кинетической энергией для изучения коллективных эффектов.
Работа, о которой мы говорим, отличается высокой степенью управляемости искусственного двумерного кристалла за счёт изменения напряжений на двух металлических затворах. Этого удалось достичь благодаря объединению усилий по разработке дизайна структур с помощью компьютерного моделирования (ИФП СО РАН), созданию высококачественного двумерного электронного газа (Кавендишская лаборатория) и изготовлению образцов искусственного кристалла (Университет Нового Южного Уэльса)», — подчеркнул Алексей Ненашев, кандидат физико-математических наук и старший научный сотрудник ИФП СО РАН, специалист по моделированию квантовых явлений в низкоразмерных материалах.