Настраиваемый искусственный кристалл сформирован внутри знакомой полупроводниковой структуры — слоя арсенида галлия в арсениде алюминия-галлия. Для этого ученые наложили на двумерный электронный газ (тончайший электронный слой) периодический электростатический рельеф. Меняя напряжения на двух затворах, исследователи смогли в одном и том же чипе перестраивать электронный спектр от «графеноподобного» к «кагоме-подобному», то есть получать разные типы энергетических зон без замены самого образца.
В кагоме-подобной электронной системе главную роль играет кагоме-решётка. В такой решетке электроны могут почти «застывать» в так называемой плоской энергетической зоне, и тогда на первый план выходят взаимодействия между электронами, их коллективное поведение. Именно при определенном заполнении электронами плоской зоны учёные обнаружили новое коллективное состояние электронов — коррелированный изолятор, свойства которого не удавалось объяснить существующими моделями.
Созданная платформа позволяет моделировать квантовые системы, которые трудно или невозможно воспроизвести в природных материалах. Свойства нового искусственного кристалла можно не только спроектировать заранее, но и перестраивать непосредственно в процессе эксперимента.
Исследование объединило изготовление и измерение образцов, одночастичное численное моделирование и многочастичную теорию. Образцы и транспортные измерения были сделаны в Университете Нового Южного Уэльса; полупроводниковые многослойные структуры арсенида галлия–алюминия галлия арсенида предоставила Кавендишская лаборатория. Сотрудники Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН кандидаты физико-математических наук Ольга и Виталий Ткаченко сопровождали эксперимент численными расчётами, оптимизировали дизайн трёхмерной полупроводниковой структуры. Многочастичную модель коррелированного состояния развили Олег Сушков и Зеб Крикс из Университета Нового Южного Уэльса.
«Есть и другие способы создания искусственных кристаллических решеток. Например, их можно „собирать“ из атомно-тонких полупроводниковых слоёв, просто накладывая друг на друга как листы бумаги, но с небольшим поворотом. Из-за этого поворота образуется так называемый муаровый узор, как при наложении тюлевых занавесок — он и создает искусственную решетку. Другие исследователи берут за основу двумерный электронный газ, как в обсуждаемой работе, и с помощью травления создают в нем упорядоченно расположенные ямки нанометровых размеров», — рассказал коллега авторов статьи, старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Алексей Ненашев, специалист в области моделирования квантовых явлений в низкоразмерных материалах.
По его словам, смысл этого направления исследований — усилить энергию взаимодействия электронов друг с другом по сравнению с их кинетической энергией, чтобы создать условия для изучения эффектов коллективного поведения электронов.
«Обсуждаемая работа выгодно отличается большей управляемостью искусственного двумерного кристалла с помощью изменения напряжений, прикладываемых к двум металлическим затворам. Этого удалось достичь, объединив усилия по разработке дизайна структур с помощью компьютерного моделирования (ИФП СО РАН, Новосибирск), созданию двумерного электронного газа высочайшего качества (Кавендишская лаборатория, Кембридж) и изготовлению образцов искусственного кристалла (Университет Нового Южного Уэльса)», — добавил Алексей Ненашев.
«Путь от первоначальной идеи и расчётов до работающего устройства занял много лет. Решающее значение имели качество нелегированной гетероструктуры, точность нанолитографии и возможность независимо управлять плотностью электронов и силой периодического потенциала. Экспериментаторам удалось реализовать режим, в котором минизонная структура не скрыта беспорядком и становится доступной для детального транспортного исследования», — отметил Виталий Ткаченко.
Работа международной группы с участием сотрудников Института физики полупроводников (ИФП СО РАН) опубликована в Nature Physics.
