Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Новый взгляд на переход металл-диэлектрик в двумерных системах
По характеру температурной зависимости удельного сопротивления R все вещества можно разделить на две основные категории: металлы и диэлектрики. При понижении температуры в типичных металлах R уменьшается (остаточное сопротивление при T=0 конечно), а в диэлектриках – неограниченно возрастает (см. рис.), так что в слабом электрическом поле ток через диэлектрик при T=0 не течет.
При одинаковой заселенности долин двумерная электронная система в AlAs является металлической, а при разной – диэлектрической.
Соответственно, принято говорить о металлическом и диэлектрическом типе проводимости. В классических (так называемых зонных) диэлектриках отсутствие тока при T=0 обусловлено отсутствием свободных носителей заряда (электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне). Металл, в котором много свободных носителей, также можно перевести в диэлектрическое состояние. Для этого нужно увеличить концентрацию дефектов до определенной критической величины (зависящей от концентрации носителей), чтобы волновые функции электронов с энергией Ферми стали локализованными, и такие электроны не смогли участвовать в проводимости. Это касается обычных трехмерных металлов. По-другому обстоят дела в одномерных образцах: при любом сколь угодно слабом беспорядке все электронные состояния локализованы, и поэтому при T=0 реальный одномерный (точнее, квазиодномерный) образец будет диэлектриком независимо от концентрации электронов. Долгое время считалось [1], что при T=0 все двумерные системы тоже являются диэлектриками из-за квантового эффекта слабой локализации, обусловленной конструктивной интерференцией падающей на примесь и рассеянной в обратном направлении электронных волн.
Скейлинговая теория [1] была поставлена под сомнение после экспериментальной демонстрации смены диэлектрической зависимости R(T) на металлическую при увеличении концентрации носителей или ослаблении атомного беспорядка в двумерной электронной системе кремниевой МОП структуры [2]. Причина расхождения теории и эксперимента пока окончательно не выяснена. Многие сейчас склоняются к мнению, что ее нужно искать в электрон-электронном взаимодействии, которое первые теоретические модели вообще не учитывали. Об этом, в частности, свидетельствуют эксперименты [3] по поляризации электронных спинов в параллельном магнитном поле: даже если при H=0 двумерная система находится в металлической фазе, увеличение H приводит к переходу металл-диэлектрик. Согласно одной из точек зрения, переход в диэлектрическую фазу имеет место вследствие изменения эффективного взаимодействия между электронами из-за спинового разбаланса. Но конкретный характер этого изменения и микроскопический механизм его влияния на электрическую проводимость остаются непонятными.
В сложившейся ситуации чрезвычайно полезной может оказаться любая новая информация о переходе металл-диэлектрик в двумерии. В частности, большой интерес представляет изучение влияния других (помимо концентрации носителей, атомного беспорядка и спиновой поляризации) физических факторов на характер зависимости R(T). Сотрудники Princeton University (США) в качестве такого параметра использовали так называемую "поляризацию долин" – разницу между заселенностями двух подзон проводимости (X- и Y-долин) в квантовой яме AlAs толщиной около 10 нм [4]. В недеформированном слое AlAs эти долины вырождены и потому заполнены электронами в равной степени. Деформация образца вдоль оси X или Y приводит к нарушению кристаллической и, соответственно, электронной симметрии в плоскости XY, в результате чего вырождение долин снимается. Дно одной долины становится выше дна другой, и часть электронов (или даже все – в зависимости от величины деформации) "перетекает" из этой долины, понижая свою энергию (см. рис.). Полное число электронов при этом остается неизменным (в [4] их концентрация составила 2.5×1011 см-2, а подвижность – 3.6 м2/(В×с) при T = 0.3 К). Оказалось, что переход металл-диэлектрик имеет место лишь при сравнительно сильной поляризации и долин (относительная деформация e > 10-4), и спинов (H > 4 Тл). По мнению авторов [4], их результаты указывают на общую причину перехода, как при спиновом, так и при орбитальном разбалансе. Что же это за причина? Она может заключаться в изменении вовсе не межэлектронного взаимодействия, а степени экранирования хаотического потенциала заряженных примесей свободными носителями из-за перераспределения последних между разными одноэлектронными орбиталями [4,5]. Ослабление экранировки при поляризации спинов и долин эквивалентно усилению беспорядка, что и приводит к переходу в диэлектрическое состояние. Но прежде, чем делать окончательные выводы, необходимо попытаться провести эксперименты при как можно более низких температурах. Ведь пока все заключения делаются на основании анализа вида кривых R(T) при конечной температуре. И где гарантия, что металлическое (в нашем понимании) состояние двумерной системы не станет диэлектрическим при дальнейшем уменьшении температуры?
E. Abrahams et al., Phys.Rev.Lett. 42, 673 (1979).
S.V. Kravchenko et al., Phys.Rev.B 50, 8039 (1994).
D. Simonian et al., Phys.Rev.Lett. 79, 2304 (1997).