Газета 'Промышленные ведомости'
Главная Подшивка Подписка Редакция Партнерство Форум
«ПВ» 9, ноябрь, декабрь 2013  -  cодержание номера 

Электрон-дырочная жидкость

В лаборатории физики низкоразмерных систем и структур ФИАН доказали существование и подробно изучили свойства двумерной электрон-дырочной жидкости. Это 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, в зависимости от величины запрещённой зоны полупроводники делятся на узко- и широкозонные.  Например, полупроводниковый лазер – это p-n переход из двух элементов с разными типами носителей, транзистор – более сложный прибор, состоящий из трех элементов, а гетероструктуры – это большие сложные «бутерброды», состоящие из комбинаций разных элементов.
 
Объектом исследований 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 - экситоны. Экситоны в объемном полупроводнике по своим свойствам очень похожи на атом водорода и способны, подобно ему, 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 Кривобок.
 
 В результате такого процесса получается электрон-дырочная жидкость. Существование трехмерной электрон-дырочной жидкости было предсказано 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.  Интересной является сама возможность создания подобной квантовой жидкости,  свойства которой 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.
 
ФИАН-информ

Другие статьи номера «ПВ» 9, ноябрь, декабрь 2013

Главная Подшивка Подписка Редакция Партнерство Форум
  © Промышленные ведомости  
Rambler's Top100