Управляемый квантовый мир: физики создали перестраиваемый двумерный электростатический кристалл

Свойства твёрдых тел определяются тем, как расположены атомы и как взаимодействуют электроны. Так возникает сверхпроводимость, магнетизм и другие необычные квантовые эффекты. Однако в природных материалах параметры кристалла изменить практически невозможно, поскольку они установлены атомной решёткой, заданной химическим составом и кристаллической структурой материала.

В новом устройстве дополнительную периодическую решётку создаёт электрическое поле: для электронов формируется искусственный пространственно-периодический потенциал, геометрия и амплитуда которого задаются конструкцией устройства и приложенными напряжениями. 

В обычном кристалле электроны движутся в поле атомов, расположенных в строго определенном порядке. А в новом искусственном кристалле над тонким слоем электронов создали периодический электрический рельеф: электрон «ощущает» ограничения, заданные электрическим потенциалом и начинает вести себя так, будто находится в кристалле с заданной геометрией. Причем эту геометрию можно перестраивать «на лету», меняя управляющее напряжение.

В многослойной полупроводниковой структуре из арсенида галлия – арсенида алюминия-галлия авторы работы сформировали двумерный электронный газ — тончайший слой, где электроны могут свободно двигаться, но только в одной плоскости. Всего в 25 нанометрах над двумерным электронным газом расположили металлический затвор (электрод) с регулярной треугольной сеткой отверстий. Период этой сетки — 100 нанометров, то есть в сотни раз больше расстояний между атомами в обычном кристалле.

Выше, отделенный диэлектриком, — еще один металлический затвор, который позволял менять силу периодического электрического поля. Первый затвор в основном задавал плотность электронов в двумерном электронном газе, второй — насколько сильно они «чувствуют» искусственную решетку. Меняя напряжение, прикладываемое к первому затвору, можно притягивать электроны к искусственному кристаллу или, наоборот, отталкивать их, тем самым управляя количеством электронов. Чем больше электронов в кристалле – тем больше энергетических зон заполнено ими. А сквозь отверстия в первом затворе проникают силовые линии электрического поля от второго затвора и выталкивают электроны из-под отверстий, иначе говоря – формируют потенциальный рельеф для электронов с «вершинами» под отверстиями и «ямами» между ними. Высота этого рельефа, задающего двумерный искусственный кристалл, управляется напряжением, приложенным ко второму затвору.

Управляя электростатическом потенциалом, ученые обнаружили, что при слабом потенциале электроны ведут себя почти как свободные частицы. По мере увеличения потенциала, начинают формироваться новые энергетические зоны (минизоны). Энергетические зоны — набор значений энергий, которой могут обладать электроны.

Сначала, при увеличении потенциала, возникает структура, аналогичная графену. В ней появляются так называемые дираковские конусы — особые точки, где электроны начинают вести себя как почти безмассовые частицы. При дальнейшем увеличении система перестраивается ещё сильнее и превращается в электронный аналог кагоме-решётки. Название происходит от традиционного японского орнамента, образующего сеть треугольников и шестиугольников. Именно такая геометрия давно интересует физиков, поскольку в ней могут возникать необычные коллективные квантовые состояния. 

Самым важным результатом работы стало формирование так называемой плоской энергетической зоны: обычно энергия электронов сильно зависит от их импульса. В плоской зоне эта зависимость практически исчезает. Дело в том, что в квантовой механике электрон распространяется как волна, а кагоме-решетка устроена так, что электронные волны от соседних узлов решетки гасят друг друга – в результате движение электрона замедляется, а его кинетическая энергия, вместе с шириной энергетической зоны, уменьшается. Можно сказать, что электроны почти перестают двигаться поодиночке, а их собственное кулоновское отталкивание начинает определять поведение всей системы.  Подобные плоские зоны сегодня считаются одной из самых перспективных площадок для поиска новых состояний вещества, включая экзотическую сверхпроводимость и необычные магнитные фазы. 

Ширина обнаруженной плоской зоны оказалась исключительно малой — около 0,2 миллиэлектронвольта, тогда как энергия взаимодействия между электронами примерно в пять раз больше. Это означает, что система находится в режиме очень сильных корреляций, когда поведение каждой частицы определяется всеми остальными.

Когда плоская зона была заполнена электронами наполовину, исследователи увидели резкий скачок электрического сопротивления. Система внезапно становилась практически изолятором. Обычные модели не смогли объяснить этот эффект. Более того, оказалось, что очень слабое магнитное поле — всего около 0,1 тесла — почти уничтожает этот изолирующий режим, хотя энергетическая щель состояния остаётся практически неизменной. Такое поведение указывает на совершенно необычную природу нового состояния. 

Авторы предложили оригинальное объяснение наблюдаемому эффекту. Согласно их модели, электроны не «сидят» на отдельных узлах решётки, а коллективно делокализуются внутри маленьких треугольников кагоме-решётки. При этом они образуют замкнутые круговые токи. Каждый такой ток создаёт собственный магнитный момент. В результате в двумерном электронном газе возникает сеть миниатюрных токовых колец, случайно ориентированных друг относительно друга. А небольшое внешнее магнитное поле упорядочивает кольцевые токи, уменьшая рассеяние электронов и резко снижая сопротивление. Исследователи назвали новое состояние петлевым токовым вигнеровским изолятором (loop-current Wigner insulator).

 Новая электронная платформа открывает путь к изучению синтетических квантовых систем с плоскими зонами, дальнодействующими взаимодействиями, орбитальными токами и возможными необычными топологическими свойствами.