Новости

Изучение квантовых осцилляций магнитосопротивления дает ответ на этот вопрос, однако приносит и новые сюрпризы. Исследования в области межэлектронного взаимодействия прокомментировал руководитель ЦКП ФИАН «Исследования сильно-коррелированных систем» Владимир Пудалов.

– Результаты исследований, недавно опубликованные учеными из ФИАН и коллегами из Университета Ратгерс (США) в журнале Phys. RevB, направлены на решение давней проблемы понимания характера межэлектронного взаимодействия в двумерных электронных системах. Двумерные системы электронов на поверхности кремния, с одной стороны, являются основным «строительным кирпичиком» всей микроэлектроники.

С другой стороны, эти системы, имеющие минимально возможную толщину равную примерно длине волны электрона (5...30 нм), являются прекрасным объектом физических исследований, в котором наиболее ярко проявляются квантовые эффекты взаимодействия (по крайней мере, три Нобелевские премии – за Квантовый эффект Холла, Дробный квантовый эффект Холла и за графен – связаны с исследованиями двумерных систем электронов).

В эксперименте межэлектронные взаимодействия перенормируют (изменяют) наблюдаемую эффективную массу электронов и их магнитную спиновую восприимчивость. Иными словами, взаимодействующие электроны становятся «тяжелее» и намного легче намагничиваются магнитным полем.

Более того, межэлектронные взаимодействия изменяют знак сжимаемости электронной жидкости, делая ее похожей на «черные дыры» в астрофизике. Но в каком диапазоне энергий взаимодействуют электроны – этот вопрос оставался долгое время загадкой.

Из интуитивных представлений казалось, что при самых низких температурах, гораздо меньших чем кинетическая энергия электронов, взаимодействие должно происходить только в узкой полосе энергий вблизи наивысшей кинетической энергии самых подвижных электронов. Именно так «организовано» взаимодействие электронов с колебаниями кристаллической решетки в металлах и полупроводниках.

Для получения ответа на этот вопрос, в проведенных экспериментах прикладывалось сильное магнитное поле в плоскости двумерной системы, которое частично поляризовало электронные спины, т.е. создавало неравное количество электронов со спинами вдоль поля и противоположно ему. Одновременно, свойства электронов в каждой из образовавшихся спиновых подзон, изучались с помощью измерения квантовых осцилляций сопротивления (эффект Шубникова – де Гааза) в слабых перпендикулярных полях.

Детальный анализ сложной картины осцилляций сопротивления показал, что эффективная масса электронов и их квантовое время рассеяния приблизительно одинаковы для обеих спиновых подзон, несмотря на то, что их заселенности сильно отличаются, вплоть до 60 %. Это означает, что за перенормировку параметров электронов ответственны взаимодействия между всеми электронами, а не в пределах каждой из подзон. Иными словами, электроны взаимодействуют путем обмена возбуждениями с высокой энергией, большей чем кинетическая энергия самих электронов.