Эксперимент нарушает теорию локализации

-->

Двумерные электронные системы, образующиеся в полупроводниковых гетероструктурах, являются полигоном для экспериментальной проверки теорий сильновзаимодействующих многочастичных квантовых систем.

Недавно известная группа ученых из University of Cambridge обнаружила в таких системах переход из состояния изолятора в металлическую фазу при низкой температуре (Т < 1K) [1]. Особый интерес к этой работе вызван тем, что она резко противоречит предсказаниям теории. Дело в том, что теория скейлинга (масштабирования), примененная к явлению локализации состояний электронов в случайном потенциальном рельефе, неизбежно приводит к состоянию изолятора при нулевой температуре (Т=0).

Иными словами, теория запрещает существование протяженных (extended) состояний: при нулевой температуре все состояния должны быть локализованными. Поскольку проводимость в этом случае обусловлена прыжками электронов, сопровождающимися поглощением фононов, то при Т=0 эта проводимость должна быть равна нулю. Все предшествующие эксперименты успешно подтверждали эти предсказания. Действительно, при некоторой температуре наблюдался переход из металлической в диэлектрическую фазу (MIT). После этого диэлектрическая фаза сохранялась до самых низких температур, которые только можно было достичь. В представляемом эксперименте совершенно неожиданно обнаружен обратный переход из изолирующей фазы в металлическую фазу!

Struktura.jpgРис.1. Вид структуры сверху (а), макроскопический и мезоскопический потенциальный рельеф (b), температурные зависимости сопротивления в макроскопической структуре (с) и в мезоскопических структурах (d) и (e)

На рис. 1а представлен вид структуры сверху, затворы 1, 2 и 3 имеют разную длину. На рис. 1b приведен потенциальный рельеф, который содержит флуктуации различного пространственного масштаба. Показано отличие макроскопических флуктуаций от мезоскопических флуктуаций. В макроскопическом потенциальном рельефе (кстати, его происхождение пока не вполне ясно) электроны заливают потенциальные ямы. При понижении температуры проводимость уменьшается до нуля. Мезоскопические флуктуации вызваны случайным потенциальным рельефом, который образуют заряженные примеси в слое AlGaAs, поставляющие электроны в квантовую яму на гетерогранице AlGaAs/GaAs. Масштаб этих флуктуаций определяется шириной спейсера.

Спейсер – это нелегированная часть AlGaAs. Назначение спейсера состоит в том, чтобы отодвигать заряженные примеси от области двумерного электронного газа, обеспечивая его высокую подвижность. В данном случае изменение ширины спейсера означает изменение пространственного масштаба флуктуаций. Напряжением на затворе можно управлять концентрацией электронов в двумерной системе, а значит, силой их кулоновского взаимодействия. В мезоскопической структуре локализация может быть обусловлена механизмом Андерсона. В свое время Андерсон показал, что любые волны (световые, звуковые и волны де Бройля) локализуются в результате рассеяния на хаотически расположенных центрах.

На рис. 1с показана температурная зависимость сопротивления, измеренная на макроскопическом образце размером 8 мкм. Эта зависимость имеет явный активационный характер, присущий перколяционному (прыжковому) механизму протекания тока. Именно образцы такого размера раньше исследовались в экспериментах. В настоящей работе авторы изучили образцы размером 2 мкм (рис. 1d) и 0.5 мкм (рис. 1е). На этих образцах как раз и наблюдается переход в металлическую фазу при низкой температуре. Металлическая фаза от диэлектрической фазы отличается зависимостью сопротивления от температуры. В металлической фазе сопротивление уменьшается с уменьшением температуры, как в обычных металлах. В диэлектрической фазе сопротивление увеличивается с уменьшением температуры, как и в обычных полупроводниках и изоляторах.

Естественно предположить, что несогласие теории с экспериментом обусловлено некоторыми процессами, которые теория не приняла во внимание, например, взаимодействием электронов друг с другом.

Как видно, изменение сопротивления при переходе металл-диэлектрик в рассматриваемых структурах очень мало с точки зрения их практического использования в электронике.

Автор – В. Вьюрков

  • 1. M. Baenninger et al. Phys. Rev. Lett. 100, 016805 (2008)
Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

ПерсТ: Эксперимент нарушает теорию локализации