Физики продемонстрировали возможность управления электронами, летающими над поверхностью жидкого гелия, с помощью полей, индуцированных поверхностными акустическими волнами в пьезоэлектриках. Для этого они поместили тонкий слой гелия на поверхности пьезокристалла ниобата лития, а транспорт электронной плотности детектировали с помощью дополнительного электрода. Исследование опубликовано в Nature Communications.
Жидкий гелий демонстрирует большое количество интересных физических явлений. Среди прочего, с его помощью удается реализовать двумерный газ из электронов, парящих над его поверхностью на расстоянии около десяти нанометров. Так получается из-за того, что, с одной стороны, у электронов имеется отрицательное сродство к гелию, что не позволяет им приблизиться к поверхности жидкости, а, с другой стороны, гелий слабо притягивает заряд из-за наличия у него отличной от единицы диэлектрической проницаемости.
От других реализаций двумерного электронного газа жидкогелиевый вариант отличает наибольшая подвижность зарядов. 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.
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.
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. Подробнее об этом удивительном веществе вы можете прочитать в нашем материале «Чашка жидкого гелия».
Марат Хамадеев