Решетки из электронов научились создавать с помощью звука

Международный коллектив ученых предложил использовать поверхностные акустические волны в качестве инструмента создания устойчивых решеток из электронов и поляритонов в полупроводниках. Оказалось, что изменяя частоту акустических колебаний, можно управлять параметрами такой решетки и приводить заряженные частицы в движение. Такие решетки могут использоваться для моделирования сложных квантовых систем. Результаты исследования опубликованы в Physical Review X.

В полупроводниковых и проводящих материалах носители заряда или заряженные квазичастицы (например, экситоны) при ограничении их подвижности могут образовывать упорядоченные периодические структуры. Такие электронные решетки внутри твердого кристалла и сами по себе имеют довольно интересные свойства, а также могут использоваться для исследования топологических дефектов и моделирования как классических, так и квантовых систем. Для того, чтобы зафиксировать положение электронов и создать из них упорядоченную решетку, обычно уменьшают размерность кристалла и используют не трехмерные кристаллы, а тонкие слои. Подобными ловушками для электронов или квазичастиц могут быть и кристаллы еще меньшей размерности: нанонити или даже квантовые точки, в которых подвижность носителей заряда ограничена по двум или всем трем координатам.

В своей новой работе международный коллектив физиков предложил использовать для стабилизации решеток из электронов или экситонов поверхностные акустические волны. Для этого тонкий слой полупроводникового кристалла из арсенида галлия приводили в контакт с пьезоэлектрическим элементом. Внешним электрическим полем в пьезоэлектрике возбуждались периодические колебания решетки, что приводило к запуску поверхностной звуковой волны по межфазной границе.

Если таким образом по межфазной границе запустить две поверхностных волны в противоположных направлениях, то можно создать стоячую волну, которая будет приводит к образованию периодической решетки из электронов или экситонов в полупроводниковом кристалле. В предыдущих работах уже было показано, что при определенных условиях таким образом можно фиксировать положение электронов и квазичастицы на несколько наносекунд, после чего они покидают ловушку и начинают распространяться по кристаллу.

Оказалось, что если увеличить длину звуковой волны выше определенного значения, то это приводит к образованию устойчивых во времени конфигураций. В данной работе физикам удалось получить электронную решетку с периодом около 100 нанометров. При этом период образовавшейся стационарной решетки можно было немного изменять, варьируя частоту стоячей поверхностной звуковой волны. А при определенных значениях электроны могут начать двигаться или разрушать периодическую структуру. Ученые отмечают, что в образовавшихся решетках возможно образование дефектов и областей неупорядоченности, источником которых в полупроводниках являются неоднородности заряда, например, на легирующих атомах.

По словам авторов работы, такие стационарные решетки из электронов и поляритонов, устойчивые в течение долгого времени, могут быть как источником информации о взаимодействиях электронов внутри твердого тела, а также использоваться для моделирования достаточно сложных квантовых систем.

Звуковые волны в кристалле можно использовать не только для стабилизации электронных решеток внутри кристалла, но и, например, в качестве своеобразного буфера в фотонном компьютере. Для этого ученые предложили механизм, при котором информация, передаваемая в виде фотонов, может преобразовываться в звуковые колебания решетки кристалла, а затем — обратно в фотон.

Александр Дубов