В лаборатории физики низкоразмерных систем и структур ФИАН наконец-то доказали существование и подробно изучили свойства двумерной электрон-дырочной жидкости. Это в высшей степени искусственное и эфемерное образование демонстрирует изощренность современной экспериментальной техники.
Современная физика твердого тела основана на зонной теории, согласно которой энергетический спектр электронов твердого тела состоит из разрешенных зон, разделенных запрещенными зонами. В зависимости от взаимного расположения этих зон вещества делятся на металлы, полупроводники и диэлектрики. В свою очередь, полупроводники делятся узко- и широкозонные, в зависимости от величины запрещённой зоны.
Цифровой век неразрывно связан с полупроводниками. Уже нельзя представить возможным проведение эксперимента без полупроводниковой техники и работы любого бытового прибора. Современная полупроводниковая техника основана на игре с размерами и на комбинировании полупроводников с различающимися запрещенными зонами. Например, полупроводниковый лазер – это p-n переход из двух элементов с разными типами носителей, транзистор – более сложный, состоящий из трех элементов, а гетероструктуры – это большие сложные «бутерброды», состоящие из комбинаций разных элементов.
Оказывается, что «внутри» полупроводника можно как бы смоделировать всю нашу вселенную со всем ее разнообразием. Роль «обычных» корпускул – протонов и электронов будут играть квазичастицы полупроводника – электроны и дырки. Стоит обратить внимание, что электрон «внутри» полупроводника совершенно не похож на своего «свободного» или «голого» собрата: массы квазичастиц могут очень сильно (в тысячи раз) отличаться от масс «обычных» частиц. Соответственно, «внутри» полупроводника можно смоделировать процессы, которые в «обычной» материи происходят, скажем, при сверхвысоких давлениях. В данном случае удалось получить чисто двухмерную систему, которую в обычной жизни не увидишь.
Объектом исследований лаборатории физики низкоразмерных систем и структур ФИАН была полупроводниковая гетероструктура на основе германия и кремния.
«Если сделать квантовую яму достаточно узкой, например шириной в 2-5 нм, мы сможем в некоторых случаях рассматривать эту систему как двумерную. В такой системе можно наблюдать связанные состояния электрона и дырки, они же экситоны. Экситоны в объемном полупроводнике по своим свойствам очень похожи на атом водорода и способны, подобно нему, образовывать экситонные молекулы – биэкситоны. Аналогичные состояния можно получить в квантовой яме, только в данном случае экситоны будут двумерные. Так мы получаем двумерный экситонный газ. Как и большинство обычных газов, при достаточно высокой плотности или низкой температуре его можно сконденсировать» – комментирует старший научный сотрудник ФИАН Владимир Святославович Кривобок
В результате такого процесса получается электрон-дырочная жидкость. Существование трехмерной электрон-дырочной жидкости было постулировано теоретически Леонидом Вениаминовичем Келдышем в 1968 году. Затем она была обнаружена и исследована экспериментально, что позволило значительно продвинуть физику полупроводников. Впоследствии, при переходе к исследованиям гетероструктур, были высказаны предположения о существовании в слоистых полупроводниковых структурах двухмерной и квазидвухмерной электронно-дырочной жидкости. И вот получены результаты детальных комплексных экспериментов, в которых показано существование именно двухмерной жидкости. Механика формирования электрон-дырочной жидкости проста. Гетероструктура подвергается воздействию наносекундного лазерного импульса, в ней образуется неравновесная электрон-дырочная плазма, по мере релаксации которой формируются экситонные капли. Последующее испарение капель позволяет наблюдать фазовый переход, «газ-жидкость» аналогичный испарению обычной воды в блюдце. Только в данном случае испарение происходит в двумерной системе.
Одной из основных особенностей экситонного газа в двухмерной яме является динамика фазового перехода, которая связана с переходом вещества из проводящего состояния в диэлектрическое. Именно поэтому плазма, имеющая свойства металла, переходит в диэлектрический газ.
Исследования могут найти большую область применения, как в фундаментальных, так и в прикладных задачах. Комментирует Владимир Святославович:
«Интересной является сама возможность создания подобной жидкости. А точнее – то, что свойства этой квантовой жидкости меняются в зависимости от различных параметров. Еще одной особенностью является тот факт, что при низких температурах в двумерной системе даже экранированное кулоновское взаимодействие приводит к образованию связанных состояний. Таким образом возникают корреляции между электроном и дыркой даже в плотной электрон-дырочной жидкости. Это очень похоже на связанные состояния куперовских пар, что, как нам известно, приводит к явлению сверхтекучести.»
Новые данные, полученные о многочастичных взаимодействиях в двухмерных системах, могут быть полезны при создании новых источников излучения. В основе таких источников лежат ранее не использованные физические принципы, совместимые с существующими кремниевыми технологиями. Как известно, в сверхтекучей фазе макроскопические ансамбли частиц демонстрируют когерентность, что в свою очередь может использоваться в квантовых компьютерах и когерентных источниках излучения.
Б. Массалимов, АНИ «ФИАН-информ»
