Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в физике твёрдого тела большое внимание привлекает исследование свойств двумерных электронных систем. Интерес к исследованию таких систем отчасти вызван практическими нуждами - подобные системы реализуются в полевых транзисторах (как кремниевых, Si MOSFET, так и очень перспективных для высокочастотных применений транзисторах на основе GaAs) и промышленность нуждается в детальном исследовании свойств подобных систем и повышении их качества; отчасти - богатой физикой, наблюдающейся в двумерных электронных системах. При этом наибольшее, пожалуй, практическое применение имеют транспортные исследования - изучение процессов движения электронов в системе. Из истории физики известно, сколь важное место при исследованиях транспортных свойств занимают туннельные методы. Процессы туннелирования в двумерных системах можно разделить на две большие группы: туннелирование в край двумерной системы, так называемое латеральное туннелирование, и туннелирование в объём - вертикальное туннелирование. К последней группе относятся и свойства туннельно-связанных двойных электронных слоев (двухслойных систем).
В настоящее время общепринятой является точка зрения, согласно которой целочисленный квантовый эффект Холла в двумерной (2Д) системе объясняется без привлечения понятий обменного и корреляционного взаимодействий, при этом межэлектронное взаимодействие учитывается лишь в приближении среднего поля. С другой стороны, хорошо известно что инжекция заряда при туннелирова-нии в 2Д систему в квантующих магнитных полях чрезвычайно чувствительна к обменным и корреляционным эффектам. Таким образом, эксперименты по вертикальному туннелированию позволяют пролить свет на проявление эффектов взаимодействия в режиме квантового эффекта Холла и являются мощным средством исследования электронного спектра 2Д систем.
Появление систем, состоящих из двух параллельных двумерных электронных слоев явилось шагом к усложнению объекта исследований. Наличие туннельной связи между слоями эффективно повышает размерность системы и приводит к появлению новых физических свойств. В квантующих магнитных полях возникают как многочастичные особенности в транспортных свойствах таких двухслойных электронных систем, так и новые явления, которые могут быть описаны без привлечения обменных и корреляционных эффектов. К исследованию электрон-электронного взаимодействия относится и изучение квантовых фазовых переходов в двухслойной электронной системе, связанных с изменением спиновой поляриза-
ции основного состояния системы.
При вертикальном туннелировании в объём двумерной электронной системы в квантующих магнитных полях проявляется энергетический спектр системы. При латеральном (в плоскости) туннелировании напрямую проявляется структура краевых каналов в режиме квантового эффекта Холла, что имеет большое значение для понимания процессов распространения заряда в плоскости двумерной системы в сильных магнитных полях.
Цель работы состояла в экспериментальном изучении спектра двумерной электронной системы в режиме квантового эффекта Холла при помощи вертикального туккслирования, перестройки энергетического спектра двойных туннельно-сзАзанных электронных слоев (двуслойных систем) в сильном магнитном поле, квантовых фазовых переходов в двуслойных системах при наклоне магнитного поля относительно нормали к образцу, исследовании латерального туннелирова-нля между краевыми состояниями в режиме квантового эффекта Холла.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих срж'инальных результатах, которые выносятся на защиту:
Показано, что кулоновская псевдощель в спектре двумерной электронной системы вблизи фактора заполнения v = 1, проявляющаяся в экспериментах по вертикальному туннелированию, линейна по энергии. Обнаружена немонотонная зависимость параметра псевдощели от фактора заполнения вблизи v = 1, приводящая к образованию двугорбой структуры в туннельном сопротивлении и показано, что параметр псевдощели зависит от магнитного поля и температуры, насыщаясь в сильных полях и при малых температурах. Подтверждено существование двух времён релаксации при вертикальном туннелировании в двумерную электронную систему вблизи фактора заполнения v = l.
Обнаружено возникновение новых, гибридных, щелей в спектре мягкой двухслойной электронной системы при факторах заполнения v = 1,2, вызванное перестройкой волновых функций подзон в нормальном магнитном пате. Обнаружено возникновение гибридных щелей при факторах заполнения и > 2 при введении компоненты магнитного поля, параллельной плоскости двухслойной системы, вызванное нарушением ортогональности волновых функций Ландау с разными квантовыми числами при введении такой компоненты поля.
Обнаружен квантовый фазовый переход типа диэлектрик - диэлектрик в
двухслойной электронной системе при факторе заполнения v = 2 при наклоне магнитного поля относительно нормали к образцу, связанный, вероятно, с образованием новой наклонной антиферромагнитной фазы.
4. Обнаружена сильная асимметрия вольт-амперных характеристик при экспериментах по латеральному туннелированию электронов через управляемый ' туннельный барьер. Характеристики состояли из ветви, соответствующей перетеканию электронов через барьер и собственно туннельной ветви. Показано из анализа туннельных ветвей вольт-амперных характеристик, что латеральное туннелирование электронов через потенциальный барьер в магнитном поле происходит между внешними краевыми каналами на границе двумерного электронного газа.
Научная и практическая ценность. Исследования свойств двумерных электронных систем имеет большое прикладное значение для современной электроники. В силу стремления к уменьшению элементов интегральных схем и увеличению их быстродействия, созданию высокочастотных полупроводниковых приборов, промышленность нуждается в знании физических свойств двумерных систем, а так же постоянном повышении их качества. Полученные результаты дают оценку качества современных двумерных систем и подробно освещают процессы тун-нелирования в таких системах. Кроме того, эксперименты по изучению гибридных щелей открывают путь к реализации управления квантовыми щелями.
Научная ценность данной работы состоит в подробном исследовании кулонов-ской псевдощели вблизи фактора заполнения v = 1, обнаружении новых, вызванных гибридизацией подзон в магнитном поле, щелей в спектре двухслойной системы и исследовании влияния параллельной слоям компоненты магнитного поля на появление таких щелей, исследовании квантового фазового перехода в двухслойной системе, связанного с изменением поляризации основного состояния системы и образованием новой, наклонной антиферромагнитной фазы, и исследовании латерального тунеллирования в край двумерной электронной системы.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на семинаре по физике низких температур ИФТТ РАН, а так же следующих конференциях: XXXI совещание по физике низких температур (1998 г., Москва), The Eleventh International Conference on Nonequilibrium Carrier Dinamics in Semiconductors (HCIS-11, 1999 Kyoto), Научная сессия отделения общей физики и астрономии Российской Академии Наук (1999 г., Москва), INTAS/NEDO workshop on Phase transitions in coupled electron-hole and electron-electron layers (2000, TU Delft), Mesoscopic and strongly correlated electron systems
(2000 г., Черноголовка), 25th International conference on the Physics of Semiconductors (2000, Osaka).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах, список которых приведён в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. \
