Доказательства нового типа неупорядоченного квантового вигнеровского тела
Исследователи Принстонского университета уже несколько лет проводят исследования в области состояния двумерных электронных систем при экстремально низких плотностях и температурах. Их последняя работа, представленная в Physical Review Letters, собрала доказательства нового состояния, предсказанного Вигнером, известного как неупорядоченное тело Вигнера (WS).
Художественное изображение неупорядоченного анизотропного вигнеровского тела, состоящего из замороженных электронов (закрепленных беспорядком), расположенных в анизотропной решетке. Кредит: Хоссейн и др.
Физики уже много десятилетий пытаются определить основные состояния двумерных электронных систем при экстремально низких плотностях и температурах. Первые теоретические предсказания для этих основных состояний были выдвинуты физиками Феликсом Блохом в 1929 году и Юджином Вигнером в 1934 году, оба из которых предположили, что взаимодействия между электронами могут привести к основным состояниям, которые никогда раньше не наблюдались.
Исследователи Принстонского университета уже несколько лет проводят исследования в этой области физики. Их последняя работа, представленная в Physical Review Letters, собрала доказательства нового состояния, предсказанного Вигнером, известного как неупорядоченное тело Вигнера (WS).
«Фаза, предсказанная Вигнером, упорядоченный массив электронов (так называемый вигнеровский кристалл или WS), очаровывала ученых на протяжении десятилетий», — сказал Phys.org Мансур Шайеган, главный исследователь исследования. «Его экспериментальная реализация чрезвычайно сложна, поскольку для усиления роли взаимодействия требуются образцы с очень низкой плотностью и соответствующими параметрами (большая эффективная масса и малая диэлектрическая проницаемость)».
Чтобы успешно произвести WS или квантовый WS в лабораторных условиях, исследователям нужны чрезвычайно чистые и высококачественные образцы. Это означает, что вещества, которые они используют в своих экспериментах, должны иметь минимальное количество примесей, так как эти примеси могут притягивать электроны и заставлять их перестраиваться случайным образом.
Поскольку выполнение требований для создания этих состояний является очень сложной задачей, предыдущие исследования по исследованию квантовых систем WS, в которых электрон-электронные взаимодействия преобладают над так называемой энергией Ферми, были невероятно скудны. Первая квантовая WS наблюдалась в 1999 году Джонсу Юном из Принстонского университета и некоторыми исследователями, участвовавшими в недавнем исследовании, с использованием двумерной гетероструктуры GaAs/AlGaAs.
В своем новом исследовании команда использовала чистый и очень чистый 2D-образец AlAs (арсенид алюминия) с анизотропной (то есть разной при измерении в разных направлениях) эффективной массой и морем Ферми. Примечательно, что их образец очень хорошо удовлетворял требованиям для реализации анизотропной 2D WS.
«Наш образец — почти идеальная платформа для наблюдения квантового звездного неба в нулевом магнитном поле », — сказал Шавеган. «Теперь оказывается, что двумерные электроны в AlAs обеспечивают дополнительный бонус, а именно анизотропную дисперсию энергетических зон, которая приводит к анизотропной эффективной массе. Мы обнаружили, что эта анизотропия может проявляться в свойствах WS, таких как его сопротивление и порог депиннинга в разных плоскостных направлениях.
Материал, использованный Шавеганом и его коллегами в своих экспериментах, состоит из высококачественной квантовой ямы AlAs с очень небольшим количеством примесей и, следовательно, низким уровнем беспорядка. В этой квантовой яме электроны ограничены двумя измерениями.
«Мы можем использовать напряжение затвора для настройки плотности электронов в нашем образце», — сказал Phys.org доктор Шафаят Хоссейн, ведущий автор статьи. «Мы использовали комбинацию электрического переноса (т. е. измерения удельного сопротивления) и спектроскопии смещения постоянного тока (т. е. измерения дифференциального сопротивления как функции смещения исток-сток постоянного тока) для изучения анизотропного двумерного неупорядоченного вигнеровского твердого тела».
Измерения сопротивления образца и дифференциального сопротивления показали, что они фактически наблюдали новый квантовый WS в нулевом магнитном поле, используя систему анизотропного материала. В конечном итоге это позволило им раскрыть влияние анизотропии на неуловимое, но увлекательное состояние WS.
«Наблюдаемое твердое тело Вигнера показывает разные эффективные способности скольжения в разных направлениях», — сказал Хоссейн. «Это проявляется в различных пороговых напряжениях депиннинга в разных направлениях, наблюдаемых в наших экспериментах».
Анизотропное состояние WS, наблюдаемое этой группой исследователей, вероятно, является совершенно новым квантовым состоянием. Это означает, что пока очень мало известно о его свойствах и характеристиках.
Таким образом, в будущем эти недавние открытия могут вдохновить на новые теоретические и экспериментальные исследования, направленные на лучшее понимание этого недавно идентифицированного квантового состояния с внутренней анизотропией (т. е. с разными значениями при измерении в разных направлениях). Эти исследования могли бы, например, попытаться определить характерную форму решетки состояния.
«Основываясь на наших экспериментальных данных, различное электронное поведение вдоль разных направлений анизотропных WS также может быть использовано в электронных устройствах», — сказал Хоссейн. «Такие устройства могут реагировать по-разному в зависимости от направления приложенного напряжения».
В конечном итоге анизотропный WS, открытый этой группой исследователей, может проложить путь к разработке новых типов анизотропных квантовых устройств. В своих следующих работах Шавеган, Хоссейн и их коллеги будут исследовать микроволновые резонансы обнаруженного ими состояния, поскольку они могут предоставить более подробную информацию о состоянии и его анизотропии.
«Например, мы спросим: проявляет ли WS резонансы, подобные тем, которые наблюдались в случае WS, индуцированных магнитным полем, при очень малых заполнениях (сильных магнитных полях)?» — добавил Шавеган. «Наблюдение за резонансами было бы очень полезным, поскольку они предоставили бы веские доказательства существования фазы WS. Кроме того, наблюдение резонансов, частоты которых зависят от ориентации приложенного электрического поля по отношению к ориентации кристалла WS, было бы захватывающим и пролило бы свет о роли анизотропии».
