В данной статье, опубликованной в Nature Communications, физики продемонстрировали возможность управления электронами, которые находятся в состоянии левитации, созданном над поверхностью жидкого гелия. Причем, для достижения этой цели они использовали пьезоэлектрический ниобат лития, на простой поверхности которого был размещен тонкий слой жидкого гелия. Транспорт интенсивной электронной плотности отслеживался с помощью дополнительного электрода. Жидкий гелий обладает уникальными физическими свойствами, позволяющими создавать двумерный электронный газ. Электроны парят над его поверхностью на расстоянии около десяти нанометров. Это явление обусловлено отрицательным сродством электронов к гелию, которое препятствует их приближению к поверхности жидкости, и слабым притяжением заряда гелием вследствие его отличной от единицы диэлектрической проницаемости.
H. Byeon et al / Nature Communications
Жидкогелиевая реализация двумерного электронного газа характеризуется наибольшей подвижностью зарядов по сравнению с другими методами. В ходе исследования физики использовали поля, индуцированные поверхностными акустическими волнами в пьезоэлектрике, для управления движением электронов над гелием.
Большая величина межэлектронных взаимодействий приводит к формированию электронных жидкостей и даже упорядоченных электронных решеток, что сопровождается экзотическим динамическим откликом всей системы. Такие процессы исследуют в основном, либо с помощью радиочастотных или СВЧ-волн, либо анализируя характеристики вылетающих с поверхности электронов. В 1986 году возникла идея управления электронами на поверхности жидкого гелия с помощью электрических полей, возникающих из-за поверхностных акустических волн (ПАВ) в пьезоэлектриках, однако до недавнего времени ее экспериментальной реализации не существовало.
В новой работе физики из США под руководством Йоханнеса Полланена (Johannes Pollanen) из Мичиганского государственного университета смогли продемонстрировать работоспособность предложенной ранее идеи. Они поместили слой жидкого гелия толщиной 70 нанометров на поверхность полированного пьезокристалла ниобата лития при температуре 1,55 кельвин. В такой системе возникали поверхностные электроны, чью плотность ученые контролировали несколькими электродами, а чтобы избежать их утечки, жидкость была окружена дополнительным электродом, заряженным отрицательно.
Наконец, с разных концов пьезокристалла были установлены встречно-штыревые преобразователи (ВШП). ВШП — это устройство, которое при подаче на него переменного напряжения генерирует в пьезокристалле ПАВ. Один из ВШП создавал волны, а другой служил их детектором.
Схема установки по измерению переноса электронов с помощью ПАВ. H. Byeon et al / Nature Communications
Создаваемые таким путем ПАВы представляют собой волны деформации, которые, распространяясь в пьезокристалле генерируют локальные электрические поля за счет пьезоэлектрического эффекта. Напряженность этих полей имеет осциллирующий характер, что создает в минимумах соответствующего потенциала систему ловушек для одиночных электронов. Эти ловушки «привязаны» к ПАВ, а потому распространяются со скоростями всего несколько тысяч метров в секунду, что очень удобно для задач транспорта малого числа электронов.
Для детектирования изменений в электронной плотности на поверхности жидкого гелия, а также для дополнительного контроля, физики разместили под кристаллом три электрода, с одного из которых снимались показания акустоэлектрического тока. Увеличение концентрация электронов над электродом вызывает в нем приток положительного заряда, в то время как ее уменьшение — отток.
В первую очередь авторы исследовали зависимость этого тока от частоты переменного напряжения, подаваемого на излучающий ВШП. Зависимость имела пиковый характер и повторяла таковую для коэффициента преобразования самого ВШП. Ее максимум наблюдался на 296 мегагерцах. Меняя конфигурацию установки и концентрацию электронов на поверхности, физики убедились, что детектируемый акустоэлектрический ток появляется исключительно из-за ПАВ.
Помимо прочего, ученые изменяли напряжение на среднем электроде, который назвали затвором по аналогии с полевым транзистором. Они выяснили, что при достаточно малом напряжении на затворе по сравнению с соседним электродом, акустоэлектрический ток перестает течь. Получившуюся конфигурацию авторы назвали акустоэлектрическим полевым транзистором.
Физики также особое внимание уделили временной характеризации транспорта электронной плотности. Для этого они, подавая на ВШП короткий импульс, создавали акустический волновой пакет небольшой длительности, который, в свою очередь, утягивал за собой волны электронной плотности. Исследуя зависимость акустоэлектрического тока от времени, авторы зафиксировали фронт увеличенной концентрации электронов, который сменился фронтом уменьшенной концентрации.
Зависимость акустоэлектрического тока (красная), снятая с первого электрода, от времени при подаче импульса на ВШП (серая) длительностью 30 микросекунд. Фиолетовым цветом показано суммарное число электронов, зеленым – акустоэлектрический ток в отсутствие электронов на поверхности. H. Byeon et al / Nature Communications
Интегрируя ток по времени, они смогли сделать вывод о суммарном количестве перенесенного заряда. Оказалось, что его количество линейно зависит от мощности акустической волны. Для самой слабой волны длительностью 100 микросекунд физики добились переноса всего 80 тысяч электронов. Авторы надеются, что эта величина может быть уменьшена с помощью изменения ширины канала, а также с помощью добавления в установку одноэлектронных транзисторов.
Жидкий гелий далеко не первый раз радует ученых. Не так давно физики увидели в нем хирально-доменную структуру, а также предложили с его помощью искать темную материю.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
