Физика конденсированных сред

На главную | Контакты | Карта сайта

| Система Грант-Экспресс

| Новости РФФИ
| Объявления
| Подписка на новости

| Общие сведения о РФФИ
| Кто есть кто в РФФИ
| Состав совета Фонда
| Адрес и телефон для справок

| Устав РФФИ
| Указы Президента
| Постановления и распоряжения Правительства

| Нормативные документы

| Решения совета Фонда

| Конкурсы РФФИ
| Региональные конкурсы
| Международные конкурсы
| Программы РФФИ
| Финансовое обеспечение проектов

| Вестник РФФИ
| Газета Поиск
| Публикации в СМИ
| Книги, изданные при поддержке РФФИ
| Информационный бюллетень РФФИ
| Издания РФФИ

| Использование результатов
| Контроль использования финансовых средств

| Международная деятельность
| Научные фонды
| Ведомства и академии
| Библиотеки и информационные центры
| Полезные ссылки

| Издательство Wiley
| Издательство «The American Mathematical Society»
| Издательство Elsevier
| Американское физическое общество (APS)
| Издательство IOP Publishing Limited
| Издательство The Royal Society of Chemistry
| Издательство Springer

| Введение
| 2009 год
| 2010 год
| 2011 год

| WIN-1251
| KOI8-R
| English

ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

Член-корреспондент РАН
Я.Е.Покровский (ИРЭ РАН)

В 1998 г. выполнялось 669 инициативных проектов по физике конденсированных сред, поддержанных РФФИ, из них 299 было завершено. Это составляет треть работ по физике и астрономии, на долю которых приходится более четверти всех поддержанных проектов. Поэтому невозможно представить даже очень поверхностный анализ большинства законченных работ и остановиться на всех направлениях этой интенсивно развивающейся области физики. Представляется более целесообразным рассмотреть лишь некоторые актуальные направления, в которых достигнуты существенные успехи. При этом придется остановиться на современном состоянии исследований в этих направлениях. В противном случае будет невозможно понять, в чем заключается вклад проектов, поддержанных РФФИ. Более подробно мы остановимся на проектах, результаты которых были включены в отчеты РАН, представлены как пленарные и приглашенные доклады на международных и российских конференциях или получили иное формальное признание. Это позволит в какой-то степени избежать субъективности в представлении работ, хотя при этом многие безусловно очень хорошие работы из-за ограниченности объема обзора не будут даже упомянуты.

Согласно классификации РФФИ основными направлениями являются: теория конденсированного состояния; полупроводники; поверхность и тонкие пленки; микроструктуры; сегнетоэлектрики и диэлектрики; высокие давления; магнитные явления; металлы, сплавы, неупорядоченные системы; низкие температуры и сверхпроводимость; взаимодействие рентгеновского, синхротронного излучений и нейтронов с конденсированным веществом. Эта классификация близка к принятой в журналах по физике конденсированных сред, например, в Physical Review B. Доли грантов, соответствующие указанным направлениям, также близки к распределению числа статей по аналогичным рубрикам зарубежных и российских журналов. Таким образом, работы по инициативным проектам развиваются в тех же направлениях, что и в передовых странах мира. Эти работы охватывают области от чисто теоретических исследований до высоких технологий.

Наибольшие успехи достигнуты там, где выполняется целый комплекс исследований теоретического, экспериментального и технологического характера. Разделение грантов по рубрикам классификатора в таких комплексных работах невозможно. Более того, само разделение физики конденсированных сред на физику металлов, полупроводников, диэлектриков, сверхпроводников и т. д. является скорее традиционным. Так, при рассмотрении электронных процессов в конденсированных средах (а именно этой проблеме посвящено большое число выполненных проектов) наиболее существенна квантовая размерность электронной системы. Критерием здесь является соотношение между де-бройлевской длиной волны электрона L и размерами исследуемого объекта D. Если L<<D во всех трех направлениях, то такие системы являются трехмерными (3D), а плотность состояний в разрешенных зонах непрерывно зависит от энергии электронов. Если L>D в одном из направлений, то система является двумерной (2D), а плотность электронных состояний - ступенчатой функцией энергии. При L>D в двух направлениях объект становится одномерным (1D), а плотность состояний - разрывной функцией энергии. Наконец, при L>D во всех трех направлениях система становится нуль-мерной (0D) c дискретным электронным спектром. Размерность системы может изменяться в зависимости от температуры, магнитного поля и т. д. Поэтому разбиение проектов по направлениям будет в значительной степени произвольным.

Выдающимся событием в физике конденсированных сред, да и вообще в физике, представляется открытие в 1995 г. бозе-эйнштейновской конденсации в газах щелочных металлов при сверхнизких температурах. Это коллективное явление связано с волновыми свойствами атомов и было известно ранее лишь для сверхтекучего гелия. На возможность такой конденсации А.Эйнштейн указал еще в 1925 г. Однако экспериментальная реализация этого явления стала возможной лишь благодаря объединению новых идей и технологий, развитых в других областях физики.

Удержание конденсата из диамагнитных атомов достигается с помощью магнитных ловушек с минимальной напряженностью магнитного поля в их центральной зоне. Такие ловушки были предложены ранее для удержания высокотемпературной плазмы в процессе управляемого термоядерного синтеза. Заполнение магнитных ловушек охлажденным газом осуществляется с помощью лазерного охлаждения. Для этого предварительно охлажденный разреженный газ облучается фотонами с энергией, несколько меньшей энергии резонансного поглощения атомами газа, что возможно за счет эффекта Доплера, если атом движется навстречу лазерному лучу. При таком возбуждении атом получает импульс от кванта света в сторону, противоположную направлению его движения, и замедляется. Излучение же возбужденных атомов в среднем изотропно и в конечном результате их кинетическая энергия уменьшается. Если облучать атомы в газе одновременно с нескольких сторон, можно, перестраивая частоту лазера, затормозить их в магнитной ловушке и заполнить ее газом при очень низкой температуре. Испарение охлажденного газа путем удаления из него атомов с большей энергией с помощью радиочастотного электрического поля позволяет еще более понизить температуру. В результате этих сложных манипуляций с атомами Rb, Na и Li удается проводить эксперименты при температурах газа вплоть до 10-7 К. При этом число атомов в макроскопическом объеме бозе-конденсата оказывается от тысяч до миллионов. Выполнение таких сложных экспериментов возможно лишь в нескольких лабораториях мира. Однако здесь чрезвычайно важны как теоретический, так и диагностический аспекты проблемы.

В проектах Ю.М.Кагана 95-02-06191 и Г.В.Шляпникова 96-02-16096 (РНЦ КИ) заложены основы теории когерентной эволюции и релаксационных процессов, предсказаны новые квантовые явления, рассмотрена стабилизация бозе-конденсата при притяжении атомов, светоиндуцированная эволюция и коллапс конденсата. Эти результаты важны для дальнейших экспериментальных исследований. В проекте И.И.Лукашевича 96-02-16711 (РНЦ КИ) эксперимент по бозе-конденсации осуществляется в 2D системе поляризованных по спину атомов водорода на поверхности твердого гелия при температуре около 0,2 К. Спин-ориентация и удержание атомов водорода достигается с помощью магнитного поля, создаваемого концентратором из Co-Ni сплава оригинальной конструкции. При этом уже достигнуты плотности газа, достаточные для перехода водорода в сверхтекучее состояние. Однако диагностика такого фазового перехода в малом объеме является самостоятельной задачей, которая решается радиоспектроскопическими методами.

Доля проектов, посвященных явлениям в объемных конденсированных средах, в последние годы существенно сокращается, что отражает и общую тенденцию в мире. Это связано как с тем, что объемные свойства являлись основным направлением исследований в предыдущие десятилетия, так и с новыми технологиями создания низкоразмерных структур, разработанными в настоящее время. Тем не менее 3D системы остаются традиционными объектами при исследовании структуры, электронных процессов и фазовых переходов в диэлектриках, сегнетоэлектриках, металлических сплавах и сверхпроводниках. Здесь важную роль играет создание новых методов исследований.

Так, при выполнении проекта А.Н.Балагурова 96-02-17823 (ОИЯИ) создан уникальный комплекс для изучения неупругого рассеяния нейтронов. Разработанный ранее в РНЦ КИ фурье-дифрактометр высокого разрешения был подключен к импульсному реактору ИБР-2. Комплекс обеспечивает возможность прямого определения на микрообъектах (диаметр нейтронного пучка вплоть до 0,5 мм) парциальных колебательных спектров отдельных компонентов веществ. Это уже выполнено для ряда композитных материалов, в том числе и для ртутных ВТСП, и использовано для расчета их термодинамических свойств.

В проектах Р.Ф.Трунина 94-02-05272 и М.В.Жерноклетова 95-02-03886 (МИФИ-4) проведены уникальные исследования состояния металлов при давлениях до 107 атм. и температурах более 50000 К. Это достигнуто за счет использования оригинальных генераторов ударных волн и сверхпористых (с плотностью 1 г/см3) Ni, Fe, Ti, U в качестве мишеней. Тем самым в лабораторных условиях реализованы ситуации, ранее доступные лишь при ядерных взрывах. В проекте Г.И.Канеля 97-02-17701 (ОИВТ РАН) показано, что при очень быстрых механических воздействиях прочностные характеристики металлов не только не уменьшаются, но в некоторых случаях даже возрастают вблизи точки плавления. В проекте В.Е.Антонова 96-02-17522 (ИФТТ РАН) при высоком давлении водорода получены макроскопические образцы гидрида железа и определена их структура и колебательный спектр. Этот результат важен для геофизики и астрофизики, поскольку гидрид железа, устойчивый только при высоких давлениях, является основным компонентом ядра Земли.

Теоретическое и экспериментальное исследование аморфных и неупорядоченных конденсированных сред позволило продвинуться в понимании природы взаимодействий при сильной корреляции. Так, в теоретическом проекте Л.А.Максимова 98-02-16730 (РНЦ КИ) показано, что при низких температурах основную роль играет взаимодействие между двухуровневыми системами, а не с фононами. В результате элементарными возбуждениями являются их резонансные пары, что кардинально меняет релаксационные свойства таких систем. Этот результат важен для объяснения свойств стекол при низких температурах. Экспериментальному исследованию физической природы устойчивости фаз аморфных полупроводников при высоких давлениях посвящен проект Е.Г.Понятовского 96-02-18545 (ИФТТ РАН).

В физике низких температур успешно продолжаются исследования квантовых свойств жидкого и кристаллического гелия, традиционные для ИФП РАН. В проекте А.Ф.Андреева 96-02-16348 исследованы вакансионные элементарные возбуждения в квантовых кристаллах гелия. Проект А.Я.Паршина (97-02-17360) посвящен экспериментальному исследованию взаимодействия молекулярных возбуждений с другими типами элементарных возбуждений в сверхтекучем гелии. В проекте В.В.Дмитриева (96-02-19333) экспериментально исследованы бездиссипативные спиновые токи в ферми-жидкостях. Исследования спиновой динамики в сверхтекучей -фазе гелия-3, проведенные в узкой области температур вблизи фазового перехода, привели к обнаружению новых мод спиновой прецессии, в том числе моды с величиной намагниченности, равной половине равновесного значения.

В области сверхпроводимости преобладают проекты по выяснению физической природы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), хотя число таких работ за последнее время заметно сократилось. Это связано с тем, что после открытия ВТСП казалось, что понимание и практическое применение этого необычного явления произойдет в ближайшее время и достаточно лишь использовать уже отработанные методы исследований, чтобы добиться успеха. Однако в последующие годы стало ясно, что прогресс здесь связан с большими затратами труда и число проектов по этой проблеме уменьшилось. В настоящее время практически во всех ведущих институтах проводятся исследования ВТСП, способствующие накоплению информации, необходимой для создания адекватной модели этого явления. При этом следует учитывать, что содержащие медь ВТСП имеют слоистую структуру, а сверхпроводимость в них связана с переносом дырок в купратных плоскостях. Поэтому ВТСП лишь условно можно отнести к 3D объектам. Основной проблемой здесь, естественно, является выяснение природы взаимодействий, столь сильных, что спаривание электронов в куперовские пары остается стабильным вплоть до температур вблизи 100 К. Одна из возможных моделей предложена в проекте А.Ф.Барабанова 95-02-04239 (ИФВД РАН), в которой использована концепция магнитного полярона с необычным законом дисперсии. Полярон возникает вследствие взаимодействия дырок со спиновой подсистемой, что приводит к смещению поверхности Ферми. Альтернативный подход к проблеме развит в проекте Е.Г.Максимова 96-02-16134 (ФИ РАН), где близкие результаты получены методом функционала плотности в пренебрежении многочастичными корреляциями. В проекте В.И.Симонова 96-02-17361 выполнены тонкие рентгеновские исследования электронной плотности в монокристаллах ВТСП до и после перехода в сверхпроводящее состояние.

С проблемой сверхпроводимости в настоящее время связывают и исследования явлений переноса в гигантских углеродных молекулах - фуллеренах и нанотрубах. Эти образования можно представить себе как свернутые в сферу или трубу углеродные слои с определенным чередованием расположения атомов в вершинах правильных пяти- и шестиугольников. Введение в полости таких молекул металлов (интеркаляция) также рассматривается как возможный путь получения сверхпроводящих структур. Экспериментальные исследования в этом направлении выполнены в проекте В.Ф.Мастерова 96-02-16886 (С.-Пб. ГТУ). Прежде всего удалось разработать метод получения фуллеренов и металлофуллеренов CunC60 на основе углерода и меди. Показано, что отклик порошков, интеркалированных медью, на воздействие микроволнового излучения аналогичен отклику слабо связанных сверхпроводящих (джозефсоновских) переходов. Исследования вольтамперных характеристик при наносекундных импульсных напряжениях показали, что сопротивление порошков и тонких пленок резко падает при Т < 90 К. Обнаружено, что магнитный момент в пленочных СКВИД-структурах при Т = 120 К испытывает скачок. На основании исследований микроволновых поглощения и проводимости, ЭПР и температурной зависимости магнитной восприимчивости показано, что в металлофуллеренах происходит перераспределение ионов меди Cu2+ при Т 60 - 70 К. Однако и без интеркаляции металлов в углеродных нанотрубах сильное злектрон-фононное взаимодействие указывает на возможность существования ВТСП. В проекте З.Я..Косаковской 96-02-18447 (ИРЭ РАН) проявление этого взаимодействия обнаружено даже при комнатной температуре в виде ступеней на вольтамперных характеристиках нанотруб.

Одним из важных направлений в последние годы было исследование стимулированного ИК излучения, возникающего в германии при низких температурах за счет примесного пробоя и инверсного заселения горячими дырками ветвей валентной зоны (или уровней акцепторов), расщепленных магнитным полем или одноосной деформацией. Лазеры, перестраиваемые магнитным полем или давлением, позволяют получать импульсное когерентное излучение в области 30 - 200 мкм и уже используются при исследовании полупроводниковых структур (Л.Е.Воробьев, 96-02-17404, С.-Пб. ГТУ). Созданы лазеры пикосекундной длительности (В.Н.Шастин, 96-02-19285, ИФМ РАН). Можно надеяться, что дальнейшие исследования физических процессов в таких лазерах позволят достигнуть непрерывного режима генерации. Здесь кажется перспективным использование двумерных напряженных слоистых структур Si/Ge/Si, в которых дырочные состояния расщеплены из-за несоответствия параметра решеток Si и Ge (М.С.Каган, 96-02-17352, ИРЭ РАН; В.Н.Мурзин, 96-02-18593, ФИ РАН; Ю.Л.Иванов, 96-02-17920, ФТИ РАН).

2D системы стали излюбленным предметом исследований начиная с 80-х годов, после того как был освоен метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Метод впервые позволил получать слоистые структуры точно заданных состава и толщины слоев вплоть до атомной. По сути дела была открыта новая область науки, получившая название электронной инженерии. МЛЭ относится к высоким технологиям и требует как достаточно совершенной аппаратуры, так и высокой квалификации персонала. Более того, идентичные структуры, изготовленные в идентичных условиях, могут значительно отличаться некоторыми своими параметрами, например, подвижностью носителей заряда. Поэтому при выполнении тонких экспериментов важно иметь возможность отбора "хороших" структур. Хотя изготовление двумерных структур методом МЛЭ освоено многими научными коллективами России, здесь играет важную роль кооперация с зарубежными партнерами.

Первоначально наибольший интерес вызывали сверхрешетки - многослойные периодические гетероструктуры с чередующимися слоями полупроводников толщиной 1 - 10 нм. Наиболее простой и совершенной структурой здесь остаются сверхрешетки GaAs/AlGaAs, хотя создание сверхрешеток на основе других комбинаций полупроводников А3В5, А2В6 и напряженных слоев Ge-Si достаточно хорошо освоено. В таких структурах потенциал с периодом сверхрешетки d приводит к размерному квантованию электронного спектра и возникновению узких минизон в электронной и дырочной зонах, что проявляется в радикальном изменении оптических и транспортных свойств.

В проекте В.Г.Лысенко 95-02-05046 (ИПТМ РАН) продемонстрировано одно из фундаментальных явлений при движении электронов в периодическом потенциале. В 1928 г. Блох показал, что электроны в электрическом поле F, приложенном к совершенной периодической структуре, должны совершать так называемые блоховские осцилляции (БО) с периодом t = h/eFd. Для наблюдения БО необходимо, чтобы время рассеяния импульса электрона было больше t, что в обычном 3D полупроводнике можно было бы реализовать лишь в очень сильных электрических полях. В этом же проекте использовалась сверхрешетка GaAs/AlGaAs с достаточно большим d = 8,4 нм. В поле F = 16 кВ/см период t ~ 300 фс, и осцилляции наблюдались в террагерцовом диапазоне частот. Для их регистрации структура облучалась расщепленными пучками излучения перестраиваемого по частоте лазера с длительностью импульсов около 120 фс. Осциллирующее движение электронного волнового пакета создавало слабое осциллирующее электрическое поле, возмущавшее структуру. Это, в свою очередь, приводило к изменениям спектра и модуляции интенсивности лазерных пучков, что регистрировалось методом четырехволнового смешения. На основании обработки полученных зависимостей были оценены период и амплитуда БО, величины которых оказались близкими к ожидавшимся.

В проекте И.М.Нефедова 97-02-16926 (ИФМ РАН) теоретически рассмотрена возможность использования блоховских осцилляций для возбуждения дальнего ИК излучения. Показано, что в сверхрешетках со слабым периодическим потенциалом может возникать динамическая отрицательная дифференциальная проводимость на частотах выше частоты БО. Компьютерные расчеты показали, что в сверхрешетках на основе n-GaAs это возможно в полях 3 - 6 кВ/см при температурах до 77 К.

Однако не только полупроводниковые, но и металлические сверхрешетки, содержащие слои ферромагнетиков, представляют значительный научный и прикладной интерес. Ранее такие сверхрешетки были использованы для создания эффективных отражающих покрытий для мягкого рентгеновского излучения. В проекте Н.Н.Салащенко 96-02-16079 (ИФМ РАН) для создания фильтров как для выделения из широкополосного синхротронного излучения интенсивного направленного монохроматического излучения, так и для исследования кинетики ядерной флуоресценции были разработаны многослойные резонансные фильтры -излучения. На примере сверхрешеток, содержащих слои изотопа железа 57Fe и углерода, хрома и скандия, экспериментально показана возможность управления сверхтонкой структурой, спектральной и угловой шириной резонансного (мессбауэровского) ядерного отражения при сильном подавлении нерезонансного рассеяния. Это было достигнуто как путем оптимального выбора окружения резонансного изотопа, так и за счет уширения частотной полосы спектра отражения в окрестностях угла Брэгга.

Интересным вариантом 2D систем являются связанные двойные квантовые ямы, в которых проявляются коллективные свойства взаимодействующих "междуямных" экситонов. В проекте В.Б.Тимофеева 96-02-17553 (ИФТТ РАН) ямы из GaAs шириной 8 нм, разделенные барьером из AlGaAs толщиной 5 нм, размещены в матрице p-i-n диода из AlGaAs. В результате при фотовозбуждении такой структуры в ямах помимо обычных экситонов образуются междуямные экситоны, связанные за счет взаимодействия носителей заряда в ямах, разделенных барьером. Электрическое поле в диоде приводит к наклону зон и этот наклон можно изменять напряжением, приложенным к диоду. При этом за счет наклона зон слабо связанное состояние междуямного экситона можно сделать энергетически выгодным. Такой экситон, состоящий из пространственно разделенных электрона и дырки, обладает дипольным моментом. Поэтому междуямные экситоны должны отталкиваться, что при больших концентрациях и низких температурах не исключает возможности их бозе-конденсации. В спектрах люминесценции таких структур проявлялись две полосы. Спектральное положение узкой полосы с большей энергией и малым временем релаксации не зависело от напряжения на диоде, что позволило отождествить ее с рекомбинацией внутриямных экситонов. Положение широкой длинноволновой полосы линейно зависело от приложенного напряжения, а время ее релаксации составляло десятки нс. Это однозначно указывало на то, что полоса обусловлена рекомбинацией электронов и дырок из разных ям. Ситуация, однако, осложнена здесь тем, что благодаря присутствию ионизованных примесей потенциал в латеральной плоскости структуры испытывает флюктуации с амплитудой несколько мэВ, что при низких температурах приводит к локализации электронов и дырок в ямах случайного потенциала. Именно по этой причине широкие спектры междуямной рекомбинации напоминают спектры донорно-акцепторной люминесценции в 3D полупроводниках, форма которых определяется взаимодействием между случайно распределенными разноименно заряженными примесями. При повышении температуры влияние локализации уменьшается и спектры междуямной рекомбинации сужаются. То же происходит и при увеличении интенсивности возбуждения, когда становится существенным эффект экранирования. Однако при понижении температуры в области 6 К и фиксированных интенсивности возбуждения и напряжении смещения происходит резкая перестройка спектра и возникает новая полоса, интенсивность которой быстро возрастает в очень узком интервале температур. В поперечном магнитном поле в спектре новой полосы появляются особенности, а интенсивность периодически осциллирует при возрастании поля. Это указывает на вырождение 2D электронно-дырочного газа с концентрацией около 1011 см-2. Форма полосы также удовлетворительно соответствует этой концентрации, если учесть небольшое однородное уширение. Приведенные результаты указывают на то, что при достижении пороговых температуры и уровня возбуждения происходит фазовый переход и образуется металлическая фаза, состоящая из взаимодействующих электронов и дырок, локализованных в разных ямах. Этот фазовый переход похож на конденсацию экситонов в 3D полупроводниках. При этом накопление 2D электронов и дырок в прямозонном полупроводнике оказывается возможным благодаря их медленной рекомбинации, обусловленной пространственным разделением в двойных квантовых ямах.

В проекте Ю.В.Копаева 96-02-18872 (ФИ РАН) исследован новый эффект - сильное изменение внешним электрическим полем энергии связи локализованных состояний вследствие перераспределения электронной плотности в связанных квантовых ямах. Квантовая интерференция электронных состояний делает такую систему весьма чувствительной к различного рода внешним воздействиям. Показано, что относительно слабое электрическое поле существенно изменяет характер локализации электронной плотности. Если в отсутствие поля волновая функция электронов локализована в той же квантовой яме, что и атомы примесей, то при переносе электронов в другую квантовую яму под действием внешнего поля энергия связи носителей на примесных атомах существенно уменьшается вследствие трансформации волновых функций. Эффект интерференционной ионизации донорной примеси был экспериментально подтвержден на примере связанных ям в структурах GaAs/AlGaAs, изготовленных методом МЛЭ. Активная область структур включала нижнюю нелегированную квантовую яму шириной 5,7 нм, барьер из AlGaAs толщиной 3,4 нм и верхнюю квантовую яму шириной 7,9 нм, содержащую в центре слой донорной примеси Si. При 20 К электрическое поле, приложенное в направлении, нормальном к структуре, вызывало смещение пиков фотолюминесценции, соответствовавшее уменьшению энергии ионизации примеси от 15,5 мэВ до нуля. Показано, что столь сильное изменение возможно лишь за счет интерференционных эффектов. Разработана модель транзистора с модуляцией подвижности электронов на основе структур GaAs/AlGaAs с двумя туннельно связанными квантовыми ямами в качестве канала, который эффективно управляется одним затвором. Крутизна передаточной характеристики такого транзистора имеет два одинаковых по величине максимума разного знака, что позволяет использовать прибор вместо полевого транзистора с дырочным каналом. Ожидается, что прибор сможет работать на очень высоких частотах.

Однако в настоящее время наибольший интерес вызывают свойства 2D электронного газа, локализованного в одиночной квантовой яме. Такие ямы могут быть созданы в одиночном и двойном гетеропереходах или в структурах типа металл-диэлектрик-полупроводник. Эти простейшие 2D электронные системы вначале представлялись наиболее доступными для их адекватного описания. Однако хаотический потенциал в латеральной плоскости, вызванный случайным распределением в структурах заряженных примесей и приводящий к сильной или слабой локализации электронов, осложняет ситуацию. Поэтому само существование классического фазового перехода диэлектрик - металл в 2D электронном газе является дискуссионным.

Этой проблеме посвящен проект В.М.Пудалова 97-02-17387 (ИФВД РАН). Исследовались Si МДП транзисторы в диапазоне 20 мК - 6 К как в продольном магнитном поле, так и в его отсутствие. Подвижность электронов в каналах транзисторов, являющаяся мерой упорядоченности электронной системы, варьировалась от 5103 до 4104 см2/Вс. Концентрация электронов Ns задавалась напряжением на затворе и изменялась в широких пределах. Было установлено, что при возрастании Ns экспоненциальное уменьшение проводимости каналов при понижении температуры, характерное для активационного механизма, сменялось возрастанием, что указывало на возникновение металлической фазы. Положение фазовой границы зависело от подвижности в 2D электронном газе. Продольное магнитное поле подавляло переход диэлектрик - металл. Полученные зависимости проводимости от температуры, концентрации электронов и неупорядоченности, а также масштабное (скейлинговое) преобразование этих зависимостей позволили построить фазовую диаграмму перехода диэлектрик - металл в 2D электронном газе при отсутствии магнитного поля. Этот результат, возможно, потребует коррекции теории фазовых переходов в двумерных электронных системах.

В квантующих магнитных полях возникает практически новое 2D электронное вещество, удивительные свойства которого проявляются, в частности, в квантовом эффекте Холла (КЭХ). Целочисленный КЭХ наблюдается в достаточно сильном поперечном магнитном поле В, в котором 2D электроны движутся по циклотронным орбитам. При этом в зависимости холловского сопротивления Rxy = h/pe2 (отношении поперечного напряжения к продольному току) от индукции магнитного поля В возникают плато при целочисленных значениях p. Здесь p=Ns/N0 - фактор заполнения, Ns - плотность 2D электронов, N0 = 1/2l02 - емкость квантового состояния, l0 = (h/2eB)1/2 - магнитная длина. Целочисленный КЭХ возникает вследствие локализации невзаимодействующих электронов в неупорядоченной двумерной системе. При этом квантовую холловскую проводимость обеспечивают состояния в центре уровней Ландау. Следует подчеркнуть, что холловское сопротивление на плато не зависит от геометрии эксперимента, распределения тока внутри 2D системы и случайного потенциала, и поэтому величина Rxy используется как эталон сопротивления.

Предполагалось, что по мере улучшения качества структур в сильных магнитных полях при p < 1 возникнет вигнеровская кристаллизация двумерного электронного газа. Однако в этой области при более низких температурах проявилась тонкая структура в магнитотранспортных кривых, соответствовавшая холловским плато при дробных факторах заполнения p/q, где p и q - целые числа. Эта структура усложнялась по мере улучшения качества образцов. Такой дробный КЭХ был объяснен возникновением сильно скоррелированных многоэлектронных (лафлиновских) состояний с p/q = 1/3, 2/3, 3/5 и др. Эти квазичастичные возбуждения несут дробный электрический заряд e/q и называются композитными фермионами. Таким образом, в режиме дробного КЭХ возникают новые щели в энергетическом спектре, связанные с межчастичным взаимодействием. Спиновая поляризация такой 2D системы в магнитном поле зависит как от величин циклотронного и зеемановского расщеплений, так и от междуэлектронного взаимодействия. Согласно расчетам, в различных состояниях дробного КЭХ минимум обменной энергии соответствует различным значениям спиновой поляризации, тогда как минимальной зеемановской энергии соответствуют полностью поляризованные состояния. Отклонение фактора заполнения p/q от целочисленных и дробных значений может приводить к изменению спиновой поляризации системы. Существование элементарных возбуждений такой системы (скирмионов) с большими значениями спина, направленного против внешнего магнитного поля и состоящих из большого числа частично ориентированных (текстурированных) по спину электронов были предсказаны для p/q = 1/2, 1. Малое значение g-фактора электронов в GaAs, определяющее величину зеемановского расщепления, облегчает наблюдение в этом полупроводнике эффектов деполяризации, обусловленных коллективными взаимодействиями. Выяснению возможности существования скирмионов в 2D электронном газе посвящены теоретические проекты С.В.Иорданского 95-02-05883 и Ю.А.Бычкова 97-02-16042 (ИТФ РАН).

Попытки экспериментального обнаружения скирмионов предприняты в ряде проектов. Однако очень высокие сопротивления двумерных структур при низких температурах в сильных магнитных полях являются существенным препятствием при выполнении магнитотранспортных исследований. Эта проблема в некоторой степени устранена в проектах В.Т. Долгополова 97-02-16829 и С.И.Дорожкина 95-02-06107 (ИФТТ РАН, емкостные измерения) и З.Д.Квона 96-02-19287 (ИФП СО РАН, измерение флуктуаций сопротивления микромоста). В проекте И.В.Кукушкина 96-02-16177 (ИФТТ РАН) проведено сопоставление результатов транспортных и оптических исследований в режиме КЭХ. Исследования выполнены в магнитных полях до 16 Тл и температурах до 30 мК на одиночных гетеропереходах GaAs/AlGaAs. Изучено влияние локализации композитных фермионов, температуры и флуктуаций случайного потенциала. Установлено, что резкое изменение кинетики люминесценции при критической температуре в очень чистых образцах, указывающее на вигнеровскую кристаллизацию двумерных электронов, в менее чистых структурах при переходе металл - диэлектрик не сопровождается критическими явлениями. Показано, что холловская проводимость может быть определена в экспериментах по неупругому рассеянию света из разности магнитоплазменной и циклотронной энергий. Обнаружено квантование измеренной таким образом холловской проводимости в режимах дробного и целочисленного КЭХ, в том числе и при полуцелом заполнении нижайшего уровня Ландау. Разработан новый метод прямого определения спиновой поляризации двумерных электронов, основанный на анализе степени циркулярной поляризации люминесценции, разрешенной во времени. Показано, что в сильных магнитных полях В > 4 Тл скирмионные возбуждения отсутствуют. В слабых магнитных полях В < 3 Тл обнаружены состояния, неполяризованные по спину (2/3, 4/3), поляризованные полностью (1/3, 5/3) и поляризованные частично (2/5, 3/5). Измерена также спиновая поляризация в состояниях 1/2, 1/4 и 3/2. Для компенсации зеемановского расщепления предложен и реализован метод, основанный на оптической ориентации спинов ядер. Показано, что при возбуждении циркулярно поляризованным светом может быть достигнута сильная ориентация спинов ядер как вдоль, так и против направления внешнего магнитного поля. При этом энергия сверхтонкого взаимодействия между спинами 2D электронов и ядер может быть сравнима с электронной зеемановской энергией. Это позволило усилить скирмионные эффекты.

1D-системы могут быть созданы рядом способов, например, с помощью фото- или электронной литографии полупроводников с квантовыми ямами, путем молекулярной эпитаксии на подложки с высокоиндексной фасетированной поверхностью и т. д. Около десяти лет тому назад был также предложен метод получения нитеобразных структур путем анодного травления кремния. При правильном выборе режима в пластинках кремния удается вытравить каналы нанометрового (10 нм) масштаба. В результате приповерхностный слой кремния приобретает губчатую структуру, которую можно рассматривать как совокупность кремниевых нитей с размерным квантованием энергий носителей заряда. Действительно, исследования показали, что широкая полоса люминесценции пористого кремния смещена в область больших энергий фотонов и даже в видимую область спектра. Этот результат представлялся важным, поскольку здесь открывалась возможность создания светоизлучающих структур на основе кремния - основного материала электронной техники. Поэтому среди первых проектов, поддержанных РФФИ, исследования пористого кремния занимали значительное место. Однако в дальнейшем выяснилось, что воспроизводимость результатов здесь неудовлетворительна, сами структуры деградируют, а размерное квантование может быть не единственной причиной, изменяющей спектр люминесценции пористого кремния. В настоящее время исследования пористого кремния, как возможного источника видимого света, практически прекращены.

Однако 1D-системы представляют существенный интерес прежде всего как уникальный объект, в которых возможен переход Пайерлса. Это - температурный структурный фазовый переход металл - диэлектрик в квазиодномерных структурах, при котором формируется периодичность в малом смещении ионов из их равновесного положения. Такое смещение сопровождается перераспределением электронной плотности и возникновением волны зарядовой плотности (ВЗП). В результате образуется энергетическая щель на поверхности Ферми, которая уменьшает энергию электронной системы. Однако состояние с ВЗП не является сверхпроводящим. Более того, обычно ВЗП связывается на дефектах, и ее движение, за счет которого возникает ток, проявляется лишь в электрических полях с напряженностью выше пороговой.

Тем не менее поиск аналогий между сверхпроводящим и пайерлсовским коллективными электронными состояниями вполне оправдан. Удобным объектом здесь оказались квазиодномерные проводники типа TaS3, NbSe3 и т. д., которые успешно синтезируются и исследуются в ИРЭ РАН. Соединения этого типа являются нитевидными монокристаллами, состоящими из слабо связанных цепочек, проводимость вдоль которых на два - три порядка выше, чем поперечная проводимость. В них подробно исследован ряд проявлений ВЗП (С.Н.Артеменко, 95-02-05392; Ф.Я.Надь, 95-02-05811; В.Е.Минакова, 97-02-17751), но наиболее убедительная демонстрация ее квантовой природы получена в проекте Ю.И.Латышева 95-02-04456. Исследовались кристаллы NbSe3 толщиной около 0,5 мкм. В направлении, перпендикулярном к проводящим цепочкам, путем облучения тяжелыми ионами Xe, Pb и др. с энергиями порядка ГэВ в образцах создавались колоннообразные аморфизованные диэлектрические области плотностью 109 - 1010 см-2 и диаметром, близким к 15 нм. Длина когерентности ВЗП превосходила этот размер, поэтому при ее движении в электрическом поле волна обтекала дефекты, сохраняя когерентность. В магнитном поле, параллельном колоннообразным дефектам, фазы волн, интерферирующих после огибания дефектов с разных сторон, зависели от магнитного потока, пронизывавшего дефект. В области пайерлсовского перехода при 52 К и токах, близких к пороговым, удалось выделить компоненту магнитосопротивления, которая периодически изменялась при возрастании магнитной индукции от 0 до 20 Т. Период этих осцилляций соответствовал с удовлетворительной точностью "сверхпроводниковому" кванту магнитного потока h/2e через колоннообразный дефект. Этот результат был интерпретирован как эффект Ааронова - Бома, наблюдаемый в сверхпроводниках. Хотя физическая природа такого совпадения нуждается в теоретическом объяснении, здесь, безусловно, получено экспериментальное указание на существование общности между явлениями сверхпроводимости и ВЗП.

0D-системы - это гетероструктуры с пространственным ограничением носителей заряда во всех трех направлениях. В таких квантовых точках достигается предельный случай размерного квантования, а электронный спектр идеальной квантовой точки является набором дискретных уровней (искусственный атом). При этом сама "точка" может состоять из многих тысяч атомов. Если расстояния между дискретными уровнями заметно больше тепловой энергии кТ, то заполнение уровней носителями заряда не изменяется при изменении температуры. Поэтому следует ожидать, что приборы, основанные на использовании свойств 0D электронного газа, не будут деградировать при повышении температуры. С теоретической точки зрения 0D системы являются достаточно простыми и их свойства могут быть успешно рассчитаны. Поэтому интерес к квантовым точкам возник еще в 80-х годах. Однако трудности изготовления массивов таких точек, например, путем селективного травления структур с квантовыми ямами или создания диэлектрических матриц с кластерами полупроводников, не позволили существенно продвинуться в этой области. Выдающийся успех был достигнут при использовании эффектов самоорганизации наноструктур в гетероэпитаксиальных полупроводниковых системах. В результате совместных усилий теоретиков, экспериментаторов и технологов в ФТИ РАН были продемонстрированы уникальные физические свойства, ожидавшиеся для идеальных квантовых точек, и созданы первые оптоэлектронные приборы на основе упорядоченных массивов трехмерных напряженных наноостровков (проекты В.А.Щукина 96-02-17943, В.М.Устинова 96-02-17824, Р.А.Суриса 96-02-17952).

В гетероэпитаксиальной системе при небольшом различии постоянных решетки осаждаемого материала и подложки первоначальный рост может быть послойным. Однако более толстый слой имеет большую упругую энергию, и возникает тенденция к образованию изолированных островков, что уменьшает эту энергию. Для системы островков имеются два источника упругих напряжений - рассогласование по постоянной решетки и скачок тензора поверхностных натяжений на ребрах островков. В результате энергетически выгодной оказывается ситуация, когда при заданных температуре подложки, скорости осаждения и количестве осажденного материала образуются островки правильной формы и близких размеров. Более того, упругое взаимодействие между островками, обладающими при температуре эпитаксии заметной подвижностью, приводит к почти регулярному их распределению на поверхности подложки. Эта ситуация, предсказанная теоретически, была блестяще реализована на примере островков из InAs на поверхности [001] GaAs путем правильного выбора режимов молекулярно-лучевой эпитаксии. Заращивание такой однослойной структуры пленкой GaAs и последующее осаждение InAs показало, что островки в последующих слоях образуются над первичными островками и вертикально с ними связаны. Таким образом были созданы трехмерные массивы почти идентичных квантовых точек. Технология допускает выращивание таких массивов с заданным размером островков. Нижний предел определятся размером, при котором в квантовом колодце существует хотя бы один электронный уровень, что зависит от величины разрыва зоны проводимости в гетеропереходе. Для системы InAs/GaAs этот размер близок к 4 нм. Максимальный размер определяется температурой, при которой начинается термическое заселение высоких электронных уровней и для данной системы оказывается порядка 20 нм при 300 К. При оптимальных условиях осаждения (460 oС) формируются пирамидальные квантовые точки InAs с квадратными основаниями ( 12 нм) в направлениях [100] и [010] и высотой 6 нм. Плотность точек достигает 1011 см-2.

Ширина спектра интегральной фотолюминесценции массивов квантовых точек в области энергий 1,2 эВ составляет около 0,1 эВ даже при гелиевых температурах, но она практически не увеличивается при повышении температуры. При локальном возбуждении электронным лучом, захватывающим небольшое количество точек, спектр распадается на множество чрезвычайно узких линий, каждая из которых соответствует точкам с определенным размером, а, следовательно, и с определенным дискретным энергетическим спектром. Вследствие разброса размеров точек 10% интегральный спектр является суперпозицией люминесценции всех элементов массива. Сопоставление детальных расчетов с экспериментом показало, что в пирамидальных точках указанных размеров существует единственный электронный и несколько дырочных уровней, но только дырки с проекцией момента 3/2 вносят вклад в люминесценцию.

Лазеры на квантовых точках обладают как физическими, так и технологическими преимуществами. Благодаря дискретности электронного спектра пороговый ток лазеров слабо зависит от температуры. Гигантская сила осциллятора переходов на единицу объема точки, обусловленная перекрытием волновых функций электрона и дырки, приводит к гигантским коэффициентам удельного усиления материала. Высокое быстродействие определяется малым временем заселения электронного состояния. Технологическим преимуществом является подавление диффузии неравновесных носителей из активной области лазера. Уже созданы инжекционные лазеры на массивах квантовых точек, в том числе и вертикально связанных, пороговые плотности тока которых приближаются к рекордным, а температурная стабильность порогового тока является наилучшей. Можно надеяться, что дальнейшее совершенствование технологий позволит существенно превысить уже достигнутые параметры. В настоящее время исследования гетероструктур с массивами самоорганизующихся квантовых точек в полупроводниковых гетероструктурах Si - Ge, А3В5 и А2В6 активно ведутся многими научными группами при поддержке РФФИ.

Из приведенного обзора видно, что в последние 3 - 4 года при поддержке РФФИ получен ряд результатов мирового уровня. Успеху большинства рассмотренных проектов способствовала также и международная кооперация как на основе грантов, так и личных связей ученых. Это не только не умаляет роли РФФИ, но и способствует ее международному признанию.

Copyright © 1997-2007 РФФИ | Дизайн и программирование: Intra-Center