Исследование двумерных электронных систем с сильным межэлектронным взаимодействием.

В области малых электронных плотностей характерная энергия взаимодействия между электронами превышает их кинетическую энергию. Отношение энергий может оказаться довольно большим. В реальных экспериментах, обсуждаемых ниже, оно достигало 20. Интерес к области сильных взаимодействующей электронной жидкости обусловлен тем обстоятельством, что в этой области не существует регулярной теории, способной предсказать ожидаемое поведение электронной системы.

Экспериментально в Лаборатории квантового транспорта исследованы свойства высокоподвижного электронного газа кремниевых полевых структур при малой электронной плотности. Выбор объекта исследований не случаен. По ряду причин (относительно сильное взаимодействие при сравнительно большой концентрации электронов, относительно компактная волновая функция в направлении, нормальном интерфейсу и т.д.) этот объект исследований более удобен, чем другие двумерные системы. Для исследований нужны низкие температуры (30 мК) и сильные магнитные поля (16 Т). Эти условия обеспечивались сверхпроводящим магнитом и рефрижератором растворения (см. рис.1)

Система управления циркуляцией He3 и рабочее место экспериментатора в к.109 КМП.

Наиболее удивительным фактом, обнаруженным экспериментально, несомненно является сильное возрастание электронной массы и спиновой восприимчивости при понижении концентрации электронов (см. рис.2.). Оказалось, что оба эти явления не зависят от степени спиновой поляризации электронной системы, а точка, в которую экстраполируется зависимость Bc(ns) чрезвычайно близка к точке перехода металл-диэлектрик. Круг явлений, связанных с сильно взаимодействующими электронными системами интенсивно исследуется в настоящее время во всем мире.

Эффективная масса электронов (слева) и поле полной спиновой поляризации в зависимости от электронной плотности в высокоподвижных МОП структурах кремния.

Более подробно с этой частью работы ЛКТ можно ознакомиться в обзоре А.А. Шашкина "Переходы металл-диэлектрик и эффекты электрон-электронного взаимодействия в двумерных электронных системах", опубликованном в УФН 175, 139 (2005).

Исследование электронного спектра двумерных электронных систем в квантующем магнитном поле в условиях сильного взаимодействия.

Эта часть работы ЛКТ охватывает исследования как кремниевых полевых структур, так и одиночных гетеропереходов на основе GaAs/AlGaAs. Основным методом исследования является магнитоемкостная спектроскопия. Кроме низкой температуры и сильного магнитного поля в этой части работы ключевым является умение измерять очень малые токи (масштаба 1 фермто-ампера). Магнитоемкостная спектроскопия -метод, требующий больших затрат времени, сил и терпения, поскольку в каждой точке измерений требуется оптимизация по температуре и частоте измерительного тока.

Пример квантовых осцилляций емкости и щели на минимальных факторах заполнения

Пример квантовых осцилляций емкости показан на рис.3. Обработка подобных кривых позволяла извлечь величины спектральных щелей. При этом выяснилось много любопытного: в МДП структурах кремния долинные щели на минимальных факторах заполнения сильно увеличены межчастичным взаимодействием, а спиновые (рис. 4) соответствуют неперенормированному фактору Ланде. В случае гетероструктур долинное расщепление отсутствовало, однако эксперименты в наклонном поле опять продемонстрировали переворот одиночного спина.

Исследование процессов перетекания тока между краевыми каналами в условиях сильного разбаланса

Изучение краевых каналов в условиях целочисленного и дробного квантового эффекта Холла начато нами недавно в 2001 году. Решающую роль в этой части работы имело изобретение нового оригинального дизайна образцов, позволившего на контролируемой длине создать сильную неравновесную заселенность краевых каналов. Форма исследуемых образцов схематически показана на рис.5.

Форма исследуемых образцов и изображение области "gate gap", полученное с помощью атомно-силового микроскопа.

Обнаружено, что при достаточно низких температурах вольт-амперные характеристики структуры сильно нелинейны (рис.7.) и содержат информацию об электронном спектре у края образца, о состоянии спиновой системы ядер, о наличии топологических дефектов и свидетельства возможной внутренней структуры краевых каналов в режиме ДКЭХ.

Примеры вольт-амперных характеристик