Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности
В работе используется квазиодномерная система поверхностных электронов (ПЭ) над сверхтекучим гелием в качестве классической модели твердотельного квантового проводника. Выполнены экспериментальные исследования кинетики поведения электронов в узких каналах в присутствии заряда на подложке. Ход темпер...
Saved in:
| Published in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2011
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75147 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности / В.А. Николаенко, А.В. Смородин // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 795-799. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860085783132635136 |
|---|---|
| author | Николаенко, В.А. Смородин, А.В. |
| author_facet | Николаенко, В.А. Смородин, А.В. |
| citation_txt | Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности / В.А. Николаенко, А.В. Смородин // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 795-799. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | В работе используется квазиодномерная система поверхностных электронов (ПЭ) над сверхтекучим гелием в качестве классической модели твердотельного квантового проводника. Выполнены экспериментальные исследования кинетики поведения электронов в узких каналах в присутствии заряда на подложке. Ход температурной зависимости в этих условиях имеет ступенчатый характер при температуре ниже 1,3 К, и параметры ступеней в различных опытах отличаются. Подобный характер зависимости не описывается классическими моделями переноса заряда, где учитывается рассеяние электронов в каналах на атомах гелия в паре и рипплонах. Предполагается, что подобная зависимость является проявлением квантового характера переноса в электронных каналах.
У статті використовується квазиодновимірна система поверхневих електронів (ПЕ) над надплинним гелієм у якості класичного моделю твердотільного напівпровідника. Виконано експериментальні дослідження кінетики поведінки електронів у вузьких каналах у присутності заряду на підложжі. Хід температурної залежности в цих умовах має східчастий характер за температури нижче 1,3 К; параметри сходів у різних випробуваннях є різними. Подібний характер залежности не описується класичними моделями переносу заряду, де враховується розсіяння електронів у каналах на атомах гелію в парі та риплонах. Вважається, що така залежність є виявленням квантового характеру переносу в електронних каналах.
Quasi-one-dimensional system of the surface electron (SE) over superfluid helium is used as a classical model for a solid-state quantum conductor. Experimental investigations of electron kinetics in narrow channels in the presence of charge on the substrate are carried out. The course of temperature dependence under such conditions demonstrates stepwise behaviour at temperatures lower than 1.3 K, and parameters of steps in different experiments are varying. Classical models of charge transfer do not describe a similar character of this dependence, when electrons scattering in channels on atoms of helium in steam and ripplons is considered. It is supposed that such dependence demonstrates quantum behaviour of charge transfer in electronic channels.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:19:38Z |
| format | Article |
| fulltext |
795
PACS numbers: 67.25.-k, 67.30.-n,67.80.-s,73.20.-r,73.25.+i,73.90.+f, 85.30.De
Влияние заряда подложки на перенос поверхностных
электронов над гелием в условиях квазиодномерности
В. А. Николаенко, А. В. Смородин
Физико-технический институт низких температур НАН Украины,
просп. Ленина, 47,
61103 Харьков, Украина
В работе используется квазиодномерная система поверхностных электро-
нов (ПЭ) над сверхтекучим гелием в качестве классической модели твер-
дотельного квантового проводника. Выполнены экспериментальные ис-
следования кинетики поведения электронов в узких каналах в присут-
ствии заряда на подложке. Ход температурной зависимости в этих усло-
виях имеет ступенчатый характер при температуре ниже 1,3 К, и пара-
метры ступеней в различных опытах отличаются. Подобный характер за-
висимости не описывается классическими моделями переноса заряда, где
учитывается рассеяние электронов в каналах на атомах гелия в паре и
рипплонах. Предполагается, что подобная зависимость является прояв-
лением квантового характера переноса в электронных каналах.
У статті використовується квазиодновимірна система поверхневих елект-
ронів (ПЕ) над надплинним гелієм у якості класичного моделю твердоті-
льного напівпровідника. Виконано експериментальні дослідження кіне-
тики поведінки електронів у вузьких каналах у присутності заряду на пі-
дложжі. Хід температурної залежности в цих умовах має східчастий ха-
рактер за температури нижче 1,3 К; параметри сходів у різних випробу-
ваннях є різними. Подібний характер залежности не описується класич-
ними моделями переносу заряду, де враховується розсіяння електронів у
каналах на атомах гелію в парі та риплонах. Вважається, що така залеж-
ність є виявленням квантового характеру переносу в електронних кана-
лах.
Quasi-one-dimensional system of the surface electron (SE) over superfluid
helium is used as a classical model for a solid-state quantum conductor. Ex-
perimental investigations of electron kinetics in narrow channels in the pres-
ence of charge on the substrate are carried out. The course of temperature
dependence under such conditions demonstrates stepwise behaviour at tem-
peratures lower than 1.3 K, and parameters of steps in different experiments
are varying. Classical models of charge transfer do not describe a similar
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2011, т. 9, № 4, сс. 795—799
© 2011 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
796 В. А. НИКОЛАЕНКО, А. В. СМОРОДИН
character of this dependence, when electrons scattering in channels on atoms
of helium in steam and ripplons is considered. It is supposed that such de-
pendence demonstrates quantum behaviour of charge transfer in electronic
channels.
Ключевые слова: твердотельный квантовый проводник, квазиодномер-
ная система поверхностных электронов, сверхтекучий гелий.
(Получено 21 ноября 2010 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие современной нанотехнологии стимулирует
фундаментальные и прикладные исследования одномерных и
нольмерных систем на полупроводниковой и металлической осно-
ве. В наноэлектронике такие системы известны как квантовые про-
волоки и квантовые точки, применяемые в одноэлектронных тран-
зисторах, лазерах на гетероструктурах, квантовых битах в кванто-
вых компьютерах и др. [1]. Классическим аналогом вырожденных
твердотельных проводящих наноструктур служат структуры с
применением поверхностных электронов (ПЭ) [2]. ПЭ представляют
слой электронов над диэлектриком с малой проницаемостью, что
ведет к образованию неглубокой потенциальной ямы. Электроны
находятся на большом расстоянием от поверхности диэлектрика,
порядка 10 нм. Сверхтекучий гелий является идеальной подлож-
кой для ПЭ, о чем свидетельствует предельно высокая подвижность
электронов в слое (≅ 104
см
2/Вс), ограниченная лишь диссипациями
на атомах гелия в паре и на риплонах – квантованных колебаниях
поверхности гелия. Электронный спектр θ2R/n2
(где n = 1, 2, …; θ –
эффективность изображения электрона в подложке; R = 13,6 эВ –
постоянная Ридберга) с энергией 8 К основного состояния электро-
на.
Модуляция свойств подложки в одном или двух направлениях
позволяет создавать ультрачистые одномерные или нольмерные си-
стемы на основе ПЭ [3]. В таких системах проявляются как класси-
ческие, так и квантово-волновые свойства носителей при соизме-
римости мезоскопического размера электронной системы с длиной
волны де Бройля (≅ 1000 ангстрем при 1 К и растущую с температу-
рой как Т
−1/2).
В работе применена Q1D-система на ПЭ [4] с заряжением искрив-
ленной поверхности массивного гелия в полосках сверхтекучего ге-
лия, затекающего на высоту Н в канавки профилированной под-
ложки. Электроны над гелиевой поверхностью локализованы попе-
рек каналов в потенциальной яме вида параболического цилиндра
2 2
0
( ) / 2U y m y= ω . Волновая функция и размер локализованного со-
ВЛИЯНИЕ
стояния
формуло
лебатель
ется вели
Подоб
нитным
торая за
ект иссл
2. ЭКСП
В работе
над гели
тронов ф
располож
присутст
В /см ко
на подло
по отсеч
эксперим
Ячейк
ли анало
бой набо
диаметр
дах разм
меру, ку
уровней
Рис. 1. И
трод; 3 –
нить; 6 –
Е ЗАРЯДА П
электрон
ой ( ) 1o yψ =
ьным спек
ичина y0 ≅
бная систе
полем, лег
адается вне
едований,
ПЕРИМЕНТ
е исследова
ием при на
формирова
женной ди
твии приж
онцентраци
ожке опред
чке провод
ментах сос
ка для иссл
огичны опи
ор из 35 го
ом 125 мк
мерами 10×
уда дозиро
между по
Измерительн
– жидкий ге
– прижимаю
ПОДЛОЖКИ Н
а на основ
1/2
0
1 / ( ) eyπ
тром
2
0
ω =
100 нм.
ма управл
гко варьир
ешним пол
и как высо
ТАЛЬНЫЕ
ано сопрот
аличии зар
ались над
иэлектрич
жимающего
ия электро
делялся, ка
димости на
ставлял ≅ 3
ледования
исанным в
оризонталь
км, уложен
×5 мм
2. Под
овано кон
верхностя
ная ячейка
елий; 4 – п
ющий элект
НА ПЕРЕНО
вном уров
2exp( / 2x y−
/ (eE mR⊥=
ляема внеш
руема по ко
лем. Систем
окочувстви
Е РЕЗУЛЬ
тивление у
ряда на под
жидкостью
ческой про
о электрич
онов была
ак и в полу
а вольт-ам
30 В.
проводим
в работе [6]
ьно распол
нных в ряд
дложка по
нденсирова
ми жидко
а: 1 – элек
поверхностн
трод; 7 – ох
ОС ЭЛЕКТРОН
вне опреде
2
0
)y [5],
2
0
y
) . В экспе
шним элек
онцентрац
ма может с
ительный и
ЬТАТЫ И
узких поло
дложке. Уз
ю в канав
офилирова
ческого пол
4⋅10
−4
см
−1.
упроводни
мперной ха
мости и ход
]. Подложк
ложенных
д на измер
омещалась
ался газ ге
сти и подл
ктроды; 2 –
ный электро
хранный эле
НОВ НАД ГЕЛ
ляется сле
/ (2 m= π ω
ериментах
ктрическим
ции электр
служить и
инструмен
ОБСУЖДЕ
осок из эле
зкие полос
ках горизо
анной подл
ля. В поле
. Потенциа
иковых стр
арактерист
д эксперим
ка представ
отрезков с
ительных
в гермети
елий. По
ложки опре
– заземленн
оны; 5 – не
ектрод.
ЛИЕМ 797
едующей
0
)ω с ко-
достига-
м и маг-
ронов, ко-
как объ-
нт.
ЕНИЕ
ектронов
ски элек-
онтально
ложки в
е E⊥ = 490
ал заряда
руктурах,
тике и в
мента бы-
вляла со-
световода
электро-
ичную ка-
разности
еделялся
ный элек-
ейлоновая
798 В. А. НИКОЛАЕНКО, А. В. СМОРОДИН
радиус R = σ/ρgH, который составлял 35 мкм. Электроны эмитиро-
вались на подложку от нити накаливания. Глубина потенциальной
ямы, оцениваемая как ϕ = eE⊥δ, где δ – величина стрелки прогиба,
была ≅ 104
К.
Измерения выполнялись при частоте измерительного сигнала 20
кГц по методике, использующей ёмкостную связь измерительных
электродов с электронной системой. Проводимость и подвижность
ПЭ при известной концентрации определяли по измеренным с по-
мощью синхронного усилителя (look-in-amplifier) значениям 0-
градусной и 90-градусной компонентов измерительного сигнала.
На рисунке 2, а представлена температурная зависимость прово-
димости ПЭ с концентрацией ≅ 108
см
−2
при понижении Т (нижняя
кривая) и при повышении Т (верхняя кривая). Видно, что при
Т ≤ 1,3 К появляются особенности в виде ступенчатых зависимостей
проводимости от температуры. Протяженность ступеней становит-
ся больше при понижении температуры. Следует отметить, что от
опыта к опыту параметры ступеней варьируют, хотя в одном экспе-
рименте после ряда термоциклов характер ступеней проводимости
остается практически неизменными. На рисунке 2, б приведена
температурная зависимость σ(Т) для электронных концентраций
≅ 107
см
−2.
Предполагается, что наличие ступеней вызвано волнами зарядо-
вой плотности (ВЗП) [7], формируемых в наших условиях слабопо-
движными электронами на подложке, и образующих узкие полоски
вдоль канала. Поверхностные электроны движутся в квазиперио-
дическом поле ВЗП. В такой одномерной задаче с потенциалом
U = kx2/2, где k = mω2
вдоль канала имеет место модель линейного
гармонического осциллятора. По оценкам En составляет 1 К, что
согласуется с экспериментом. Может иметь место резонансное тун-
а б
Рис. 2. Зависимость проводимости ПЭ в квазиодномерной системе от тем-
пературы.
ВЛИЯНИЕ ЗАРЯДА ПОДЛОЖКИ НА ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ НАД ГЕЛИЕМ 799
нелирование электрона между потенциальными ямами. При более
высоких Т ширина энергетических уровней соизмерима с темпера-
турой.
Альтернативным объяснением наблюдаемого эффекта может
служить и режим баллистического переноса электронов в кванто-
вых нитях [8] при непрерывном изменении их плотности. Ширина
полоски ограничивается, с одной стороны, воздействием внешнего
прижимающего поля, сдвигающего заряд к линейным углублениям
в подложке, с другой стороны, кулоновским отталкиванием заряда
подложки. Однако размеры ступенек не соизмеримы с величиной
квантования проводимости, которые имеют место в твердотельных
квантовых проводниках.
3. ВЫВОДЫ
Таким образом, используя в работе Q1D-систему ПЭ над сверхтеку-
чим гелием как классическую модель твердотельного квантового
проводника, выполнены экспериментальные исследования кине-
тики поведения ПЭ в присутствии заряда на подложке. Ход темпе-
ратурной зависимости в этих условиях имел ступенчатый характер
при температуре ниже 1,3 К, и параметры ступеней в различных
опытах отличались. Подобный характер зависимости не описыва-
ется классическими моделями переноса заряда, с учетом рассеива-
телей в каналах. Предполагается, что подобная зависимость явля-
ется проявлением квантового характера переноса в электронных
каналах.
Альтернативное объяснение: заряд на подложке дополнительно
«поджимает» слой ПЭ, ширина которого соизмерима с изменяю-
щейся от температуры длиной волны де Бройля. Однако размеры
ступенек не соизмеримы с величиной квантования проводимости,
имеющей место в твердотельных квантовых проводниках.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Ж. И. Алферов, Физика и техника полупроводников, 32, № 1: 3 (1998).
2. В. Б. Шикин, Ю. П. Монарха, Двумерные заряженные системы в гелии
(Москва: Наука: 1989).
3. Ю. З. Ковдря, ФНТ, 29: 107 (2003).
4. Ю. З. Ковдря, Ю. П. Монарха, ФНТ, 12: 571 (1986); Ю. З. Ковдря, В. А. Ни-
колаенко, ФНТ, 18: 1278 (1992).
5. S. S. Sokolov, G.-Q. Hai, and N. Studart, Phys. Rev. B, 51: 5977 (1995).
6. А. В. Смородин, В. А. Николаенко, С. С. Соколов, ФНТ, 34: 751 (2008).
7. С. В. Зайцев-Зотов, УФН, 174: 585 (2004).
8. И. А. Обухов, Моделирование переноса заряда в мезоскопических струк-
турах (Москва—Киев—Минск—Севастополь: Вебер: 2005).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75147 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:19:38Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Николаенко, В.А. Смородин, А.В. 2015-01-26T19:54:35Z 2015-01-26T19:54:35Z 2011 Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности / В.А. Николаенко, А.В. Смородин // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 795-799. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 67.25.-k, 67.30.-n, 67.80.-s, 73.20.-r, 73.25.+i, 73.90.+f, 85.30.De https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75147 В работе используется квазиодномерная система поверхностных электронов (ПЭ) над сверхтекучим гелием в качестве классической модели твердотельного квантового проводника. Выполнены экспериментальные исследования кинетики поведения электронов в узких каналах в присутствии заряда на подложке. Ход температурной зависимости в этих условиях имеет ступенчатый характер при температуре ниже 1,3 К, и параметры ступеней в различных опытах отличаются. Подобный характер зависимости не описывается классическими моделями переноса заряда, где учитывается рассеяние электронов в каналах на атомах гелия в паре и рипплонах. Предполагается, что подобная зависимость является проявлением квантового характера переноса в электронных каналах. У статті використовується квазиодновимірна система поверхневих електронів (ПЕ) над надплинним гелієм у якості класичного моделю твердотільного напівпровідника. Виконано експериментальні дослідження кінетики поведінки електронів у вузьких каналах у присутності заряду на підложжі. Хід температурної залежности в цих умовах має східчастий характер за температури нижче 1,3 К; параметри сходів у різних випробуваннях є різними. Подібний характер залежности не описується класичними моделями переносу заряду, де враховується розсіяння електронів у каналах на атомах гелію в парі та риплонах. Вважається, що така залежність є виявленням квантового характеру переносу в електронних каналах. Quasi-one-dimensional system of the surface electron (SE) over superfluid helium is used as a classical model for a solid-state quantum conductor. Experimental investigations of electron kinetics in narrow channels in the presence of charge on the substrate are carried out. The course of temperature dependence under such conditions demonstrates stepwise behaviour at temperatures lower than 1.3 K, and parameters of steps in different experiments are varying. Classical models of charge transfer do not describe a similar character of this dependence, when electrons scattering in channels on atoms of helium in steam and ripplons is considered. It is supposed that such dependence demonstrates quantum behaviour of charge transfer in electronic channels. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности Николаенко, В.А. Смородин, А.В. |
| title | Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности |
| title_full | Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности |
| title_fullStr | Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности |
| title_full_unstemmed | Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности |
| title_short | Влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности |
| title_sort | влияние заряда подложки на перенос поверхностных электронов над гелием в условиях квазиодномерности |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75147 |
| work_keys_str_mv | AT nikolaenkova vliâniezarâdapodložkinaperenospoverhnostnyhélektronovnadgeliemvusloviâhkvaziodnomernosti AT smorodinav vliâniezarâdapodložkinaperenospoverhnostnyhélektronovnadgeliemvusloviâhkvaziodnomernosti |