Квазіодновимірні електронні системи над рідким гелієм

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР

ім. Б.І.Вєркіна

УДК 536.48

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

КВАЗІОДНОВИМІРНІ ЕЛЕКТРОННІ СИСТЕМИ НАД РІДКИМ ГЕЛІЄМ

01.04.09 - Фізика низьких температур

ГЛАДЧЕНКО Сергій Павлович

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України, м. Харків

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Ковдря Юрій Захарович (ФТІНТ НАНУ, відділ квантових рідин і кристалів, провідний науковий співробітник )

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Шевченко Сергій Іванович (ФТІНТ НАНУ, відділ теоретичної фізики, провідний науковий співробітник)

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Карнацевич Леонід Владиславович (Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, завідуючий лабораторією)

Провідна установа: Харківський Національний Університет ім. В.Н. Каразіна МОН України.

Захист відбудеться “12” березня 2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради при Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України (61103, м. Харків, пр. Леніна, 47).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФТІНТ НАН України, 61103, м. Харків, пр. Леніна, 47.

Автореферат розісланий “12” лютого 2002 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

Доктор фізико-математичних наук Ковальов О.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації обумовлена інтересом який існує, у даний час, до низьковимірних зарядових систем. Зменшення розмірності системи дозволяє досліджувати не тільки характеристики знову отриманих структур, але також визначати фізичні параметри, що іншими методами одержати досить складно. Яскравим прикладом цьому може служити визначення електронної маси, в експериментах по дослідженню циклотронного резонансу в системі поверхневих електронів.

До даного моменту відома досить велика кількість систем, у яких тим чи іншим чином можна здійснити зменшення розмірності. Перехід від тривимірної до двовимірної системи раніше був здійснений у напівпровідниках з використанням інверсних шарів, у гетероструктурах і т.і. Кожний з наведених прикладів має свої достоїнства і недоліки. Однак найбільшою привабливістю, з погляду якості отриманої низьковимірної системи, її експериментального вивчення і теоретичного опису, є система електронів, локалізованих над поверхнею рідкого гелію. Завдяки її винятковій чистоті, а також відомому характеру взаємодії носіїв з розсіювачами, така система є прекрасною моделлю для вивчення властивостей електронів в умовах обмеженої геометрії.

Іншим аспектом, який обумовлює інтерес до цієї системи, є виникнення останнім часом ідеї використання поверхневих електронів для технічного застосування, зокрема для створення квантового комп'ютера. Розрахунки показують, що в цьому сенсі низьковимірна електронна система над рідким гелієм найбільш перспективна в порівнянні з іншими запропонованими структурами. Одновимірні і квазіодновимірні електронні системи, досліджені в даній роботі можуть бути використані як модель для аналізу можливості створення елементів для квантових комп'ютерів.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана у відділі Квантових рідин і кристалів у рамках тематичного плану ФТІНТ НАН України по темі: ”Дослідження квантових об'ємних і поверхневих явищ у рідкому і твердому гелії” (№ держ. реєстру 0195U009877). У роботі створена експериментальна база і проведені дослідження одновимірної електронної системи над рідким гелієм. Робота відповідає спеціальності 01.04.09 - фізика низьких температур.

Мета роботи:

Реалізація одновимірної електронної системи над рідким гелієм;

Проведення вимірів кінетичних властивостей носіїв у даній системі і порівняння отриманих результатів з наявними теоретичними передбаченнями;

Дослідження транспорту носіїв в квазіодновимірній електронній системі над рідким гелієм в магнітному полі ;

Об'єктом дослідження є система поверхневих електронів.

Предмет дослідження - транспортні властивості носіїв в одновимірній електронній системі над рідким гелієм.

Наукова новизна представленої роботи полягає в створенні та експериментальному дослідженні електронної системи над рідким гелієм близької до одновимірної. Розроблена та апробована методика виміру і розрахунку кінетичних характеристик носіїв у такій системі. Проведені виміри електронної рухливості в одновимірній системі показали істотну залежність даної характеристики від якості поверхні підкладки і величини заряду на ній, особливо в області електрон - риплонного розсіювання. Дослідження електронного транспорту в магнітному полі виявили цікаві особливості в поведінці носіїв при переході від режиму газового розсіювання до режиму розсіювання електронів на риплонах. В області газового розсіювання спостерігалися ефекти слабкої локалізації, які за своєю величиною значно перевищують, аналогічні ефекти, виявлені раніше для двовимірних систем поверхневих електронів. Для області електрон - риплонного розсіювання даних ефектів виявлено не було, однак знайдено, що перенос носіїв у квантовому режимі також відмінний від характерного для двовимірної системи.

Наукова і практична цінність роботи складається в створенні і дослідженні електронної системи над рідким гелієм близької до одновимірної, розробці методики виміру й обчислення параметрів даної системи. Отримані експериментальні дані можуть бути цікаві в аспекті розуміння поводження носіїв у низьковимірних системах, а також проведення порівняльного аналізу характеристик одновимірних систем з суто кулонівською взаємодією носіїв і фермієвських систем, реалізованих в інверсійних прошарках у напівпровідниках.

Апробація результатів проходила на таких конференціях:

QFS-98, Quantum Fluids and Solids, 1998, University of Massachusets, Amhert, USA;

XXII International Conference on Low Temperature Physics, 1999, Helsinki, Finland;

18^th General Conference of the Condensed Matter Division of the European Physical Society, 2000, Montreux, Switzerland;

НТ-32, Всеросийское Совещание по Физике Низких Температур, 2000, Казань, Росія.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці конструкції експериментальної комірки, налагодженні й удосконаленні електричної схеми вимірів, проведенні експериментів по дослідженню транспортних властивостей носіїв в одновимірній електронній системі, створенні комп'ютерних програм для обробки отриманих експериментальних результатів, а також проведенні комп'ютерних розрахунків для порівняння експериментальних даних з існуючими теоріями.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 друкованих праць, з них 4 статті в реферованих журналах [1,2,9,10], 6 тез міжнародних конференцій [3 - 8].

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку та списку використаних джерел (117 найменувань). Зміст роботи викладено на 123 сторінках, 29 рисунках та 3 таблицях.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності проблеми та наукової новизни. Обговорюється також мета роботи та переваги створеної електронної системи близької до одновимірної над рідким гелієм перед подібними системами, реалізованими за допомогою інших фізичних об'єктів. У вступі розглянуто також декілька напрямків, за якими розвиваються дослідження у цій галузі, відображено зв'язок роботи з науковими програмами.

Перший розділ дисертації носить пояснювальний характер. Виходячи з того, що досліджувана у даній роботі система є принципово новою, для розуміння процесів, що відбуваються в ній, необхідно було розглянути характер поведінки носіїв в аналогічній системі, але більш високої розмірності. Такою системою є двовимірна система електронів, локалізованих на поверхні рідкого гелію. Приймаючи до уваги вищезгадане, даний розділ було розбито на кілька підрозділів. У першому вводиться поняття поверхневих електронів, наводяться способи створення системи електронів, локалізованих над рідким гелієм, а також розглядаються кінетичні властивості носіїв у такій системі. Аналізується декілька оглядів, присвячених вивченню поведінки поверхневих електронів над рідким гелієм [1,2]. У другому підрозділі розглянуто транспорт поверхневих електронів в двовимірній системі у магнітному полі, а також висвітлений ряд ефектів, викликаних впливом магнітного поля на електронний транспорт. І, нарешті, у третьому підрозділі розглянуто способи реалізації одновимірних і квазіодновимірних електронних систем, з застосуванням інших фізичних об'єктів, наприклад, напівпровідникових структур. Також у цьому підрозділі приведений теоретичний аналіз можливості створення одновимірної електронної системи над рідким гелієм і перші експериментальні спроби реалізації такої системи.

Другий розділ присвячений створенню одновимірної електронної системи над рідким гелієм а також можливості її експериментального дослідження. У ньому докладно описана низькотемпературна частина експериментальної установки, методика вимірів, а також критерії вибору даної вимірювальної системи.

Для створення одновимірної системи над рідким гелієм ми використовували метод, запропонований у роботі [3]. Автори пропонували реалізувати таку систему за допомогою скривлення поверхні рідкого гелію, що затікає під дією капілярних сил в окрему канавку чи систему рівнобіжних канавок діелектричної підкладки, розміщеної на деякій висоті над рівнем рідини. Електрони локалізуються в рідких каналах під дією електричного поля, що використовується для утримання носіїв. В наших експериментах такі канали були реалізовані на спеціальній підкладці створеній таким чином: на скляну пластину з розмірами 24 х 19.1 мм² і товщиною 1.2 мм намотувалась нитка діаметром 0.1 мм з речовини з малою діелектричною проникністю, у даному випадку з нейлону. Створена підкладка розташовувалася на деякій висоті над рівнем рідкого гелію в експериментальній комірці. Між нитками утворювалися жолобки, у які під дією капілярних сил і сил Ван-дер-Ваальса натікав надплинний гелій. На підкладці було створено 150 каналів. Потенціальна яма, яка утворювалася за допомогою електричного поля 450 В/см була достатньо глибока (~6000 K) і не мала потенціального бар'єру, який би міг виникати під дією сил зображення з боку підкладки. Це дозволяло створити однорідну одновимірну систему, з високою рухливістю носіїв, яка вигідно відрізняється від інших подібних низьковимірних структур.

Для дослідження одновимірної системи ми використовували одну з модифікацій методу, вперше запропонованого для вимірювання рухливості поверхневих електронів у роботі [4]. Він заснований на вимірюванні кондактансу експериментальної комірки який змінюється за рахунок зміни ємкісного зв'язку між електронами та поверхневими електродами. Цей метод дозволяє визначати низькочастотну рухливість поверхневих зарядів. Рефрижератор з відкачкою пару ³Не був використаний для одержання низьких температур, що дозволило проводити вимір в області температур 0.4 - 2 К.

Далі, у даному розділі, наведені співвідношення, що використовувалися нами при розрахунку характеристик створеної системи. Вони визначають зв'язок вимірювального сигналу з такими параметрами системи як: рухливість і концентрація електронів у каналі, плазмова частота. Дані співвідношення були отримані з використанням рішення електродинамічної задачі про розповсюдження електричного поля в експериментальній комірці.

Третій розділ присвячений дослідженню кінетичних характеристик одновимірної електронної системи. Вивчення температурної залежності рухливості показало, що рухливість електронів у даному випадку істотно залежить від стану діелектричної підкладки. На Рис.1 представлені дані отримані для серії експериментів. Вимірювання проводилось для лінійних концентрацій 5*10³ - 2.5*10⁴ см^-1, максимальна відстань між електронами у цьому випадку ~ 2*10^-4см. Експериментальні дані (крива 1) отримані для свіжевиготовленої підкладки, коли її поверхня ще достатньо однорідна. Крива 1 добре збігається з теоретичним розрахунком рухливості в наближенні повного контролю, отриманим у [5]. Даний розрахунок проведений з урахуванням взаємодії електронів з атомами гелію в газі, поверхневими коливаннями (риплонами), а також електрон-електронних взаємодій у Q1D системі. У розрахунку не враховувався вплив на електронну рухливість неоднорідностей поверхні. Шорсткості підкладки, на яких може накопичуватися заряд, приводять до появи потенційного рельєфу, що у свою чергу стає причиною локалізації носіїв. Цей ефект може приводити до падіння рухливості, що і спостерігається в експерименті. Експериментальні дані (криві 2-4) були отримані для підкладки з дефектами і зарядом на її поверхні. На жаль, нам невідомі основні характеристики виникаючого на підкладці потенціалу. Але в експериментах було встановлено, що про якість підкладки можна судити по величині рухливості: чим нижче рухливість, тим гірше якість підкладки і тем більше варіації амплітуди випадкового потенціалу.

Проведені експерименти дозволяли поряд з рухливістю визначити частоту плазмових коливань в системі рівнобіжних каналів _p. Як було показано раніше для двовимірних [6] і квазіодновимірних електронних систем [7] над рідким гелієм, у випадку локалізації електронів величина _p повинна зростати внаслідок того, що в спектрі плазмових коливань з'являється оптична мода, зумовлена коливаннями локалізованих електронів. Закон дисперсії плазмонів у цьому випадку має такий вигляд:

_р²=²+_р²(q_x) , (1)

де - частота коливань електрона в потенційній ямі, _р(q_x) - частота плазмових коливань, у системі паралельних провідних каналів. На Рис.2 приведені значення частоти плазмових коливань _p як функція випадкового потенціалу на підкладці, індикатором якого є електронна рухливість. Помітно, що _p для підкладки, що характеризується найнижчим значенням , приблизно в 2.5 рази більше аналогічного значення для чистої підкладки. Знайдені значення _p практично не залежать від температури. З експериментів випливає, що величина _p тим вища, чим більше дефектів і зарядів знаходиться на підкладці. Слабка зміна величини _p при великих значеннях рухливості й істотний ріст при малих, поряд з істотним зменшенням рухливості, очевидно, саме і є свідченням локалізації носіїв.

У даному розділі представлені також результати виміру рухливості у широкому інтервалі ведучих полів (1-100 мВ/см). Усупереч теоретичним передбаченням зміни рухливості в результаті збільшення ведучого електричного поля виявлено не було.

У четвертому розділі описані результати дослідження транспорту електронів у магнітному полі. Використання прямокутної геометрії ведучих електродів у нашому експерименті дозволяє вимірювати магнітоопір системи електронів. Вимір температурної залежності магнітоопору показав наступний характер _хх(Т): при нульовому магнітному полі магнітоопір падає за експонентою до температури 0.8 - 1 К, у газовій області, і степеневим чином при подальшому зниженні температури в області електрон - риплонного розсіювання. При збільшенні магнітного поля характер залежності практично не змінюється, однак величина _хх зі зростанням поля помітно зростає, особливо в риплонній області.

Для більш детального аналізу впливу параметрів розсіювачів на транспортні властивості носіїв був побудований графік нормалізованої компоненти магнітоопору від магнітного поля, отриманий на основі вищенаведених залежностей Були використані дані, отримані як для області газового, так і області риплонного розсіювання. Графік наведений на Рис. 3. За допомогою даного графіка можна добре простежити динаміку зміни магнітоопору зі зниженням температури. В області газового розсіювання можна виділити дві ділянки - області негативного і позитивного магнітоопору. При переході до області електрон - риплонного розсіювання область негативного магнітоопору відсутня, тобто спостерігається лише зростання магнітоопору з ростом магнітного поля. Необхідно відзначити, що даний аналіз дає тільки якісну оцінку поводження магнітоопору. Для більш детального вивчення необхідні додаткові дослідження, як у газової, так і риплонній області.

Експерименти по вивченню транспорту електронів у магнітному полі, описані в даному розділі, показали, що для області газового розсіювання характерно таке явище, як слабка локалізація. Слабка локалізація виникає внаслідок інтерференції хвильової функції електрона при багаторазовому пружному розсіюванні. Це приводить до помітних змін кінетичних коефіцієнтів, зокрема, до зменшення провідності. Процеси непружного розсіювання і магнітне поле руйнують слабку локалізацію. У роботі [8] було показано, що в магнітному полі провідність носіїв внаслідок руйнування локалізації зростає, цей ефект негативного магнітоопору є одним з найбільш характерних ознак слабкої локалізації.

Залежності _хх(В) отримані для декількох температур показані на Рис. 4. Можна припустити, що негативний магнітоопір _xx який спостерігається в експериментах обумовлений ефектами слабкої локалізації носіїв у квазіодновиміpній електронній системі. При збільшенні магнітного поля, в області малих полів, відбувається подавлення локалізації, що веде до зменшення _xx. При подальшому збільшенні В магнітоопір _xx починає зростати через зменшення

ефективного часу релаксації в зв'язку з переходом до квантового режиму переносу. Отримані залежності дозволяють визначити величину _хх (зменшення магнітопровідності за рахунок ефектів локалізації). У роботі було проведене порівняння результатів, отриманих при визначенні _хх у рамках теорії двовимірного електронного газу [9] і розрахованих для випадку одновимірної системи, з використанням вираження:

, (2)

де - час, у плині якого руйнується когерентність хвильової функції локалізованого стану, n₀ - електронна густина, ₀ - час релаксації пружного розсіювання. На Рис.5 представлені залежності

/n₀ від густини атомів у газі n_g. Суцільною лінією показані експериментальні результати, пунктирною - розрахунок для одновимірної системи, штрих-пунктир - для двовимірної. Отримані характеристики дозволяють стверджувати, що досліджувана система в області порівняно високих температур по своїх характеристиках, щодо процесів локалізації займає проміжне положення між одновимірною і двовимірною, а при відносно низьких температурах - вона є практично одновимірною.

Також, у даному розділі розглянуті експерименти по дослідженню магнітоопору в області риплонного розсіювання Експерименти проводилися при температурі Т = 0.5 К і магнітних полях до В = 2.5 Т. На відміну від експериментів у газовій області виміри були проведені тільки при одній температурі. Причиною цьому є те, що при переході в риплонну область кількість розсіювачів зі зниженням температури падає досить повільно, степеневим чином, і в інтервалі Т = 0.5 - 0.8 К, як було показано, залежність _хх(В) змінюється досить слабко. Отримана залежність відповідає значенню рухливості = 100 м²/Вс і лінійній електронній густині n = 2*10⁴ см^-1. Для таких значень рухливості нерівність В 1 досягається вже при В 0.05 Т, тому перехід до квантового режиму переносу відбувається в надзвичайно малих магнітних полях. Практично відразу з ростом магнітного поля відбувається зростання магнітоопору і на відміну від газової області явища слабкої локалізації, в умовах експерименту, не спостерігаються.

ВИСНОВКИ

Основним результатом даної дисертаційної роботи є реалізація електронної системи близької до одновимірної і вивчення властивостей цієї системи. Застосування принципово нового підходу дозволило здійснити перехід від двовимірності до одновимірності, одержавши при цьому систему з яскраво вираженим одновимірним характером поведінки носіїв. В основу дисертації покладений ряд робіт, у яких докладно описані принципи побудови такої системи, проведені дослідження її кінетичних властивостей, у тому числі й у магнітному полі, розглянутий вплив зовнішніх факторів, що змінюють поводження носіїв і таке інше.

Основні результати роботи можна сформулювати таким чином:

Створена низьковимірна система з використанням поверхневих електронів над рідким гелієм по своїх характеристиках близька до одновимірної та проведені експерименти по її дослідженню. Використання нового підходу дозволило одержати низьковимірну систему високої чистоти й однорідності, що вигідно відрізняє її від аналогічних систем, реалізованих на напівпровідникових структурах. Важливою перевагою створеної системи є можливість одержання низьких концентрацій і створення одновимірної потенціальної ями достатньої глибини, що дозволяє домогтися максимально одновимірного характеру руху носіїв.

Проведено експерименти по вивченню кінетичних властивостей носіїв в електронній системі близькій до одновимірної. Дослідження виконувалися при концентрації носіїв n₀ = 3*10³ - 5*10⁴ см ^-1, температурному діапазоні Т = 0.4 - 1.8 К й ведучих полях до 100 мВ/см. Виміри рухливості електронів показали, що для чистої, бездефектної підкладки, за допомогою якої реалізувалася система близька до одновимірної, рухливість носіїв, що визначається їхньою взаємодією з атомами гелію в парі і риплонами, задовільно погоджується з теоретичним розрахунком, проведеним у припущенні відсутності локалізації. Показано, що для підкладок з зарядом або дефектами на її поверхні рухливість зменшується, а частота плазмових коливань, що поширюються в системі паралельних каналів, підвищується. Ефекти, що спостерігаються, можуть бути пояснені локалізацією в квазіодновимірній електронній системі на випадковому потенціалі і дифузійному русі носіїв з перескоками з одного локалізованого стану в інше.

Експериментально вивчені транспортні властивості носіїв в магнітному полі в електронній системі близькій до одновимірної в широкій області магнітних полів до 2.5 Т і температур Т = 0.5 - 2 К. Дослідження магнітоопору в області газового розсіювання показало, що для даної системи в інтервалі температур, що характеризується розсіюванням на атомах гелію, чітко спостерігаються ефекти слабкої локалізації, причому при порівнянні експериментальних результатів з теоретичними передбаченнями для систем поверхневих електронів найкраща згода спостерігається з теорією, що описує поводження носіїв в одновимірній системі. При вивченні електронного транспорту в магнітному полі в області риплонного розсіювання даний ефект виявлений не був, однак причиною цього може бути недостатня експериментальна точність виміру _хх при досить малих магнітних полях, необхідна для виявлення слабкої локалізації. Необхідно також відзначити, що хід залежностей _хх(В) для двовимірної і квазіодновимірної електронних систем над рідким гелієм є істотно різний, що підтверджує зміну характеру переносу при переході з однієї системи в іншу. Дане явище вимагає додаткового теоретичного розгляду.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Ковдря Ю.З., Николаенко В.А., Гладченко С.П., Соколов С.С. Линейные электронные цепочки на поверхности сверхтекучего гелия// ФНТ.-1998.-T. 24, №11.-C.1113-1116.

Kovdrya Yu.Z., Nikolaenko V.A., Gladchenko S.P., and Sokolov S.S.. Linear Electron Chains on the Liquid Helium Surface: Carrier Transport// J. Low Temp. Phys.-1998.-Vol. 113, № 5/6. -P.1109-1112 .

Kovdrya Yu.Z., Nikolaenko V.A., Gladchenko S.P. One-dimensional electron system on liquid helium// Physica B.-2000.-Vol. 284-288, -P.168-169.

Kovdrya Yu.Z., Nikolaenko V.A., Gladchenko S.P. Localization of carriers in a one-dimensional electron system over liquid helium// Physica B.-2000.-Vol. 284-288,-P. 1958-1959.

Kovdrya Yu.Z., Nikolaenko V.A., Gladchenko S.P. Quasi-one-dimensional and one-dimensional electron system on liquid helium// 18-th General Conference of the Condensed matter division, Montreux, Switzerland, -2000.- P30-28.

Kovdrya Yu.Z., Nikolaenko V.A., Gladchenko S.P. Magnetotransport in a quasi-one-dimensional and one-dimensional electron system over supperfluid helium// 18-th General Conference of the Condensed matter division, Montreux, Switzerland. -2000.- P30-29.

Николаенко В.А., Ковдря Ю.З, Гладченко С.П.. Магнитосопротивление квазиодномерной и одномерной электронной системы над жидким гелием// НТ-32, тезисы докладов секции “Наноструктуры и Низкоразмерные Системы”,-2000.-C. NSp 22-23.

Ковдря Ю.З., Николаенко В.А., Гладченко С.П. Перенос носителей в одномерной электронной системе над жидким гелием// НТ-32, тезисы докладов секции “Наноструктуры и Низкоразмерные Системы”,-2000.-C. NSp 16-17.

Гладченко С.П., Николаенко В.А., Ковдря Ю.З., Соколов С.С. Транспорт носителей и локализация в одномерной электронной системе над жидким гелием// ФНТ.-2001.-T. 27, №1.-C. 3-14.

Ковдря Ю.З., Николаенко В.А., Гладченко С.П. Эффекты слабой локализации в квазиодномерной электронной системе над жидким гелием в области газового рассеяния//Письма в ЖЭТФ.-2001.-Т.73, №9.-С.526-530.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

Монарха Ю.П., ШикинВ.Б. Низкоразмерные электронные системы на поверхности жидкого гелия// ФНТ.-1982.-T. 8, №6.-C. 563-600.

Эдельман В.С. Левитирующие электроны// УФН.-1980. -T. 130, №4.-C. 675-706.

Ковдря Ю.З., Монарха Ю.П. Одномерная электронная система над жидким гелием// ФНТ.-1986.-T. 12, №10.-C.1011-1015.

Sommer W. T., Tanner D. J. Mobility of electrons on the surface of liquid ⁴He// Phys. Rev. Lett.-1971.-Vol.27, №30.-P.1345-1349.

Sokolov S.S., Guo-Giang Hai, and Studart N. Mobility of electrons in a quasi-one-dimensional conducting channel on the liquid helium surface// Phys.Rev. B.-1995.-Vol. 5, №9.-P. 5977-5988.

Andrey E.Y. Observation of the polaronic transition in a two-dimensional electron system// Phys. Rev. Lett.-1984.-Vol. 52,-P. 1449.

Николаенко В.А., Яяма Х., Ковдря Ю.З., Томокийо А. Подвижность и локализация носителей в квазиодномерной электронной системе над жидким гелием// ФНТ.-1997.-T. 23,-C. 642.

Altshuller B.L., Khmelnitskii D., Larkin A.L., Lee P.A.. Magnetoresistance and Hall effect in a disorder two-dimensional electron gas// Phys. Rev. B.-1980.-Vol. 22, -P.5142.

Stephen M.J. Weak localization and the conductivity of nondegenerate electrons// Phys. Rev. B.-1987.-Vol. 36,-P. 5663-5664.

АНОТАЦІЇ

носій електрон магнітний квазіодновимірний

Гладченко С. П. Квазіодновимірні електронні системи над рідким гелієм. Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.09 - Фізика низьких температур. На правах рукопису. Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. И. Вєркіна НАН України, Харків, 2002.

У дисертації описаний спосіб реалізації одновимірної електронної системи над рідким гелієм, що дозволив створити систему максимально близьку до одновимірної. Використання нового підходу дозволило одержати зазначену низьковимірну систему високої чистоти й однорідності, що вигідно відрізняє її від низьковимірних систем, реалізованих на інших фізичних принципах.

Дослідження рухливості електронів, а також плазмової частоти вказали на можливість локалізації носіїв на випадковому потенціалі в квазіодномірній системі. Вивчення поведінки носіїв в магнітному полі показало, що в області газового розсіювання, для реалізованої системи характерне явище слабкої локалізації. При вивченні електронного переносу в магнітному полі в області температур, що відповідають электрон - риплонному розсіюванню даний ефект виявлений не був. Дослідження кінетичних характеристик, а також електронного транспорту в магнітному полі показали, що реализована система близька за своїми властивостями до одновимірної.

Ключові слова: гелій, поверхневі електрони, квазіодновимірна система, риплоны, атоми газу, локалізація.

Гладченко С. П. Квазиодномерные электронные системы над жидким гелием. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.09 - Физика низких температур. На правах рукописи. Физико-технический институт низких температур им. Б. И. Веркина НАН Украины, Харьков, 2002.

В диссертации описан способ реализации одномерной электронной системы над жидким гелием, который позволил создать систему по своим свойствам максимально близкую к одномерной. Исследование кинетических характеристик, а также электронного транспорта в магнитном поле показали, что реализованная система близка по своим свойствам к одномерной.

Использование нового подхода позволило получить указанную низкоразмерную систему высокой чистоты и однородности, что выгодно отличает её от низкоразмерных систем, реализованных на других физических принципах. В число преимуществ можно также включить возможность получения низких концентраций носителей и создания потенциальной ямы любой глубины, что позволяет реализовать максимально одномерный характер движения носителей.

Проведены исследования подвижности электронов. Измерения выполнялись в температурном интервале Т = 0.4 - 1.8 К, перекрывающем области риплонного и газового рассеяния. Проведенный анализ экспериментов показал, что для чистой профилированной подложки, с помощью которой была реализована низкоразмерная электронная система, подвижность носителей удовлетворительно согласуется с теоретическим расчетом, проведенным для квазиодномерной системы в предположении отсутствия локализации. В то же время, для подложек с зарядом или дефектами на её поверхности подвижность уменьшается, а частота плазменных колебаний растет. Данный эффект был объяснен локализацией носителей на случайном потенциале в квазиодномерной системе.

Экспериментально изучен транспорт электронов в магнитном поле. Исследования проводились в области температур Т = 0.5 - 2 К и магнитных полях до В = 2.5 Т. Анализ экспериментальных результатов показал, что для данной системы, в области газового рассеяния, характерно явление слабой локализации, причем при сравнении экспериментальных данных с теорией, описывающей эффекты локализации в системе поверхностных электронов, наилучшее согласие наблюдается при использовании теоретических предсказаний для одномерной системы.

При изучении электронного переноса в магнитном поле в области температур, соответствующих электрон-риплонному рассеянию данный эффект обнаружен не был, однако причиной этому может являться недостаточная экспериментальная точность измерения _хх необходимая для обнаружения слабой локализации в данной области температур. Необходимо также отметить, что ход зависимостей _хх(В) для двумерной и одномерной электронных систем над жидким гелием существенно различен, что подтверждает предположение об изменении характера магнитопереноса при переходе из одной системы в другую. Теория, описывающая транспортные свойства носителей в квазиодномерной электронной системе над жидким гелием в широком интервале магнитных полей, в настоящее время только развивается, и у нас, к сожалению, не было возможности провести более детальное сравнение транспортных свойств указаных выше систем.

Ключевые слова: гелий, поверхностные электроны, квазиодномерная система, риплоны, атомы газа, локализация.

Gladchenko S.P. Quasi-one-dimensional electrons systems over liquid helium. Manuscript.

The thesis for a Candidate's degree in science (physics and mathematics) by speciality 01.04.09 - Low temperature physics, B.I.Verkin Institute for Low temperature Physics and Engineering, NAS, Kharkov, Ukraine, 2002.

The thesis describes a way for realization of a one-dimensional electron system over liquid helium, permitting to develop a system maximally close to the one-dimensional one.

Studies of the electron mobility as well as of the plasma frequency revealed the possible localization of carriers on the random potential in the quasi-one-dimensional system. Investigations on the carrier behavior in the magnetic field showed that in the gas scattering region the weak localization is characteristic for the system realized. Studies on kinetic characteristics and the electron transport in the magnetic field indicated that a system which characteristics are close to those of the one-dimensional system has been realized.

Key words: helium, surface electrons, quasi-one-dimensional system, ripplons, gas atoms, localization.

Размещено на Allbest.ru