«Возникает эффект типа сверхпроводимости»

Облучение двумерных систем наподобие графена.

Об использовании физических эффектов, возникающих при облучении двумерных систем наподобие графена, и текущих работах в этом направлении, которые проводятся силами созданной в СССР физической школы, в своей лекции в «Газете.Ru» рассказывает д. ф.-м. н., зав. сектором нанолитографии ИФТТ РАН Сергей Дорожкин.

Полевые транзисторы и графен

Поводом к возникновению этой публикации стало издание интернациональным коллективом авторов S.I. Dorozhkin, L. Pfeiffer, K. West, K. von Klitzing, and J. H. Smet статьи «Random telegraph photosignals in a microwave-exposed two-dimensional electron system» – «Фотосигналы типа телеграфного шума в двумерной электронной системе под микроволновым излучением» в престижном научном журнале Nature Physics. Экспериментальные исследования были выполнены тесно сотрудничающей группой исследователей из России (С. И. Дорожкин, Институт физики твердого тела РАН) и Германии (K. von Klitzing, and J. H. Smet, Институт физики твердого тела Общества Макса Планка) на образцах из полупроводниковых гетероструктур GaAs/AlGaAs, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии в США (L. Pfeiffer и K. West, Лаборатории Белла).

Для более подробного разъяснения сути нашей работы представляется полезным сделать краткий обзор транспортных квантовых явлений, возникающих в двумерных электронных системах в сильных магнитных полях при низких температурах. Наиболее распространенными объектами с двумерными электронными системами являются обычные полевые транзисторы на кремнии и на основе слоистых структур (гетероструктур), составленных из тонких слоев GaAs и Al_xGa_1-xAs.

Наиболее же соответствует определению двумерная электронная система в слое графита одноатомной толщины (графене).

Эта область науки о полупроводниках оказалась очень богата яркими физическими явлениями. За открытие в 1980 году целочисленного квантового эффекта Холла профессор К. фон Клитцинг был удостоен в 1985 году Нобелевской премии по физике. Основной его эксперимент был выполнен на кремниевых полевых транзисторах. Обнаружение дробного квантового эффекта Холла в 1982 году на образцах гетероструктур GaAs/ Al_xGa_1-xAs также было удостоено Нобелевской премии, в 1998 году премию получили экспериментаторы Х. Штермер и Д. Цуи, а также теоретик Р. Лафлин.

Следует также упомянуть, что значительная часть исследований, за которые А. К. Гейму и К. С. Новоселову была присуждена Нобелевская премия в 2010 году, также состояла в изучении поведения двумерной электронной системы в графене в сильных магнитных полях и при низких температурах.

Эти исследования, в частности, включали наблюдение целочисленного квантового эффекта Холла в этом новом материале.

Квантовый эффект Холла проявляется в появлении ступеней на зависимости холловского сопротивления от магнитного поля, причем значения холловского сопротивления на этих ступенях выражаются через фундаментальные постоянные (постоянная Планка и заряд электрона) и целые числа.

Точность квантования холловского сопротивления оказалась настолько высокой, что этот эффект в настоящее время используется для реализации стандарта электрического сопротивления.

В классическом же случае холловское сопротивление линейно зависит от магнитного поля. Напомню, что для измерения холловского сопротивления измерительный ток пропускается вдоль проводящего канала и измеряется напряжение, возникающее поперек канала. При измерениях же обычного сопротивления напряжение измеряется вдоль канала. В магнитных полях, в которых наблюдаются плато холловского сопротивления, обычное сопротивление (магнетосопротивление) стремится к нулю. Вообще же магнетосопротивление осциллирует в функции магнитного поля. Такие осцилляции, существующие и в трехмерных электронных системах, носят название осцилляций Шубникова – де Гааза по имени ученых, открывших их в 1930 году. В двумерных электронных системах эти осцилляции являются периодичными по обратной величине магнитного поля, а их период определяется плотностью электронов в двумерной системе. Положения состояний целочисленного квантового эффекта Холла по магнитному полю составляют часть периодической картины осцилляций, так что соответствующие нули в магнетосопротивлении могут рассматриваться как предельные значения магнетосопротивления в минимумах осцилляций. Физическим механизмом, лежащим в основе осцилляций Шубникова – де Гааза, является квантование энергетического спектра электронов в магнитном поле (квантование Л. Д. Ландау, 1930 год). Особенностью квантования Ландау в идеальных двумерных электронных системах является возникновение полностью дискретного энергетического спектра, состоящего из уровней Ландау, разделенных энергетическими щелями. Надо отметить, что измерение осцилляций Шубникова – де Гааза оказалось очень эффективным методом исследования и характеристики полупроводниковых материалов и, в частности, двумерных электронных систем на их основе.

Широкие исследования магнетосопротивления двумерных электронных систем в гетероструктурах GaAs/Al_xGa_1-xAs под микроволновым облучением начались после обнаружения в 2001 году группой из Университета штата Юта (М. А. Зудов и др.) магнето-осцилляций нового типа, возникающих в результате облучения. Эти осцилляции, как и осцилляции Шубникова – де Гааза, периодичны по обратному магнитному полю, однако их период определяется частотой излучения. Уже через год было обнаружено (Р. Мани и др., Институт физики твердого тела общества Макса Планка, Штутгарт, Германия, 2002 г.), что, аналогично состояниям квантового эффекта Холла, амплитуда индуцированных излучением осцилляций может достигать 100% от величины сопротивления и в минимумах основных осцилляций сопротивление стремится к нулю. Наблюдение такого эффекта вызвало огромный интерес исследователей к поведению двумерных электронных систем под электромагнитным излучением.

В работе Мани с соавторами была даже выдвинута гипотеза о возникновении эффекта типа сверхпроводимости в условиях эксперимента.

Правда, появившиеся в 2003 году экспериментальные и теоретические работы опровергли эту гипотезу и предложили гораздо более прозаические, хотя и очень интересные эффекты, которые могли бы объяснить стремящуюся к нулю величину магнетосопротивления. Сформулированный тогда сценарий возникновения состояний с близким к нулю сопротивлением включал в себя изменение знака сопротивления под облучением, развитие неустойчивости в системе с отрицательным сопротивлением и формирование доменов электрического поля и связанного с ним бездиссипативного холловского тока. Экспериментальные поиски подтверждения такого сценария, насколько мне известно, до сих пор к полному успеху не привели.

Магнето-осцилляционные эффекты в двумерных электронных системах

Работа, опубликованная мною и моими соавторами из Германии и США в журнале Nature Physics, составляет часть наших результатов по исследованию магнето-осцилляционных эффектов, возникающих в двумерных электронных системах в результате их облучения электромагнитным излучением миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн (конкретно в наших экспериментах использовались частоты облучения от 20 ГГц до 530 ГГц, что соответствует длинам волн от 15 мм до 0,57 мм).

Зависимости фото-ЭДС (верхние кривые) и фототока (нижние кривые) от отношения циклотронной частоты электронов, пропорциональной величине магнитного поля, к круговой частоте излучения, измеренные экспериментально при частоте облучения f=168 ГГц (сверху) и рассчитанные теоретически (снизу)//Сергей Дорожкин.

Период этих осцилляций определяется частотой излучения. Т. е. фактически реализуется селективный по частоте детектор микроволнового излучения. Экспериментальные исследования были выполнены группой в составе С. И. Дорожкина, К. фон Клитцинга и Дж. Смета. Теория фотогальванических эффектов была разработана совместно с И. А. Дмитриевым и А. Д. Мирлиным (Институт нанотехнологии исследовательского центра в г. Карлсруэ, Германия). Эта теория базируется на нарушении соотношения Эйнштейна между проводимостью и коэффициентом диффузии электронов, происходящем в неравновесных условиях под облучением. Перечисленные экспериментальные и теоретические результаты по фотогальваническим эффектам были опубликованы в 2009–2010 годах в журналах Physical Review Letters, Physical Review B и Physica B.

Период осцилляций магнетосопротивления и фотогальванических сигналов определяется частотой падающего излучения. Так что эти осцилляции позволяют не только детектировать излучение, но и определять его частоту. Любопытно, что, в отличие от всех известных детекторов, в нашем случае знак детектируемого сигнала фото-ЭДС или фототока меняется при изменении величины магнитного поля. Что касается практического использования таких детекторов, мне пока трудно оценить такую возможность, т. к. ее реализация требует низких температур, получаемых при использовании жидкого гелия. С другой стороны, наиболее чувствительные детекторы микроволнового излучения, использующие сверхпроводящие болометры и также требующие гелиевых температур, в настоящее время используются довольно широко.

В нашей статье 2011 года, опубликованной в журнале Nature Physics, была наблюдена бистабильность сигналов фото-ЭДС в состоянии с близким к нулю сопротивлением, проявляющаяся в спонтанных скачках фото-ЭДС между двумя различными значениями (см. рисунок). Эти скачки происходят синхронно на различных парах контактов, что демонстрирует коррелированное поведение системы на масштабе порядка расстояния между различными парами контактов (около 0,5 мм) для данных, приведенных на рисунке.

Зависимость от времени сигналов фото-ЭДС, одновременно измеренных с различных пар контактов. Зеленая кривая сдвинута вверх на 1 мВ, а синяя – на 1.5 мВ//Сергей Дорожки.

Этот результат явился фактически первым наблюдением, свидетельствующим о неустойчивости, присущей двумерной системе в таких условиях, а также о возможности существования различных конфигураций электрического поля в образце, которые могут быть приписаны различным доменным структурам. Нам очень приятна высокая оценка этого результата рецензентами работы и редакторами журнала Nature Physics. Мы надеемся, что обнаруженное явление, несомненно, привлечет к себе внимание как экспериментаторов, так и теоретиков.

Русский след

Вклад в исследования по влиянию СВЧ-облучения на транспортные характеристики двумерных электронов ученых советской физической школы очень велик. Начнем с того, что вызванные излучением магнето-осцилляции фототока в двумерных электронных системах были предсказаны В. И. Рыжим еще в 1969 году. Автор рассмотрел один из физических механизмов (оптические переходы, сопровождающиеся упругим рассеянием электронов), приводящих к этому явлению. Для более реалистической модели расчеты этого эффекта были выполнены в 1986 году В. И. Рыжим, Р. А. Сурисом и Б. С. Щамхаловой. Активное изучение такого рода эффектов началось после экспериментального открытия в 2001 году индуцированных излучением гигантских осцилляций магнетосопротивления и особенно после упомянутого выше обнаружения состояний с близким к нулю сопротивлением в основных минимумах этих осцилляций. Надо отметить, что открытие осцилляций было сделано в университете штата Юта при самом активном участии выпускника МИФИ М. А. Зудова, являющегося первым автором в статье 2001 года. Этими же авторами параллельно с группой из Института Макса Планка, хотя несколько позже (в 2003 году), были опубликованы результаты по наблюдению состояний со стремящимся нулю сопротивлением. Перейдя на работу в университет штата Миннесота, М. А. Зудов успешно продолжил эту деятельность. Большой вклад в экспериментальные исследования эффекта внесли А. А. Быков, С. А. Студеникин, С.А. Виткалов, Б. П. Горшунов, А.Е. Ковалев, С. А. Звягин, И. В. Печенежский, а также автор данной заметки, которому, в частности, удалось реализовать наблюдение гигантских осцилляций фотогальванических сигналов, используя для этого контакты различной топологии.

Другой физический механизм возникновения индуцированных излучением гигантских осцилляций магнетосопротивления и фотогальванических эффектов (неравновесное заполнение электронных состояний) был предложен в 2003 году автором этой лекции в работе, совмещавшей экспериментальные результаты и теоретическую модель.

Впоследствии оба физических механизма были подробно изучены в теоретических работах с участием М. Г. Вавилова, И. А. Алейнера, В. И. Рыжего, Р. А. Суриса, А. В. Чаплика, И. А. Дмитриева, А. Д. Мирлина, Д. Г. Полякова, А. Кашубы, В. Вьюркова. Очень важное место в списке теоретических работ занимает статья с участием А. В. Андреева и И. Л. Алейнера, посвященная эффекту неустойчивости и формированию доменной структуры. Интересные работы по доменной структуре были выполнены при участии А. Ф. Волкова. Влиянию плазменных эффектов были посвящены работы В. А. Волкова и Е. Е. Тахтамирова, а также С. А. Михайлова. Различные аспекты проблемы были рассмотрены Л. И. Глазманом, М. Ходосом, А. А. Кулаковым, и М. Е. Райхом.

Надеюсь, что я не забыл никого из физиков с советскими корнями, внесших свой вклад в развитие рассматриваемого научного направления.

Отмечу только, что большая часть перечисленных ученых в настоящее время работают вне России.