Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию низ-частотного динамического отклика ограниченной двумерной С2D) гктронной системы в сильном магнитном поле.
Актуальность темы. Исследование физических свойств 2D элек-знных систем оформилось за последние двадцать лет в самостоя-пьный раздел физики полупроводников. Интерес к этим объектам зван как их прикладными возможностями, так и широким спектром Злюдающихся в них фундаментальных физических явлений.
К числу последних относится квантовый эффект Холла СКЭХ) *], открытый в 1980г. СНобелевская премия по физике за 1985г.). $ект заключается в квантовании холловской и исчезновении диа-лальной компоненты тензора статической проводимости C6xy=i>-e / \. 6ххЧ>, v-целое число). Самое удивительное, что этот эффект и открыт при изучении давно известного явления - эффекта Хол-. Ло открытия КЭХ никто не мог предполагать, что на таких рязных" объектах как полупроводники, можно обнаружить макро-эпический квантовый эффект, позволяющий измерять фундаменталь-э постоянные с той же точностью, что и в прецизионных и весьма зжных экспериментах физики элементарных частиц. Неожиданность фытия КЭХ подтверждается тем, что и после него не было наяде-ни одной ранее опубликованной работы, в которой хотя бы кос-то высказывалось предположение о возможности существования нобного явления - редчайший случай в истории физики.
Несмотря на многочисленные усилия, природа КЭХ изучена еще иостаточно. Это в значительной мере относится к проблеме лирического отклика системы в условиях КЭХ. Исследование этой зблемы может дать ряд новых сведений о внутренних свойствах
4 системы, новую информацию для построения микроскопической теори Поэтому актуальна задача поиска и исследования эффектов, связанных с динамическим откликом 2D электронного газа.
Одним из таких эффектов являются низкочастотные ыагнитопяаэ-менные колебания 2D электронного газа, связанные с существованием края у 2D системы - краевые магнитоплазмоны (КМП), обнаруженные в режиме КЭХ[2*,3*]. Исследования КМП представляют значигелі ный интерес как исследования нового физического явления, а такяк как способ качественного тестирования 2D системы на частоте. К последнему относится получение информации о частотной дисперсии компонент тензора магнитопроводимости, а также обнаружение крупномасштабных неоднородностей концентрации 2D системы.
Значительный интерес представляет также диапазон частот, меньших частоты первой моды КМП. В этом диапазоне, когда колебанш 2D системы имеют вынужденный характер, происходит формирование краевой области индуцированных заряда и потенциала. В этом случае можно получить информацию о диагональной компоненте тензора магнитопроводимости, а также исследовать отклик 2D системы в бездиссипативном режиме Сбхх—*0).
Цель работы заключалась в исследовании низкочастотной динамики неоднородной 2D электронной системы в сильных магнитных полях.
Основные задачи, поставленные и решенные в диссертации, заключаются в
экспериментальном исследовании краевых магнитоплазмонов в в сильном магнитном поле;
экспериментальном исследовании низкочастотного диапазона -диапазона вьшужденных колебаний 2D системы, в котором происходит
рмирование краевой области индуцированного заряда и потенциала;
расчете отклика 2D системы в приближении локальной емкости;
экспериментальном исследовании низкочастотного отклика 2D стемы в бездиссипагивном режиме Сбхх—»0).
Научная новизна и практическая значимость работы состоит в >м, что в ней впервые последовательно изучен целый класс явле-:й, определяющих низкочастотный отклик ограниченной 2D системы.
-
Определены следующие свойства КМП в режиме КЭХ: простран-венное распределение электрического поля КМП, закон дисперсии !П, КМП в системе, состоящей из двух параллельных 2D слоев. :следованы КМП в высокоподвижном электронном газе. Обнаружены гомальное затухание КМП в образцах высокого качества и КМП-по->бные возбуждения на крупномасштабных флуктуациях потенциала 2D гстемы. Проведена интерпретация полученных результатов.
-
Из эксперимента, а также расчета отклика 2D системы в при-гажении локальной емкости, установлено существование характерной ія 2D системы длины 1Е, определяющей пространственное распределив индуцированных заряда и потенциала вблизи неоднородностей гстемы. Исследована ситуация, когда величина 1Е велика и сравнима размером образца L. В этом случае обнаружен эффект, обусловлен-ій изменением характера экранирования внешнего электрического
>ля 2D электронами.
3. Исследован случай, когда 1E<
зязываются с бездиссилативным протеканием индуцированных токов
5лизи неоднородностей встроенного потенциала 2D системы, вклю-
ія естественнуо границу образца. Рассмотрена область применимо-
ги макроскопического описания динамики 2D системы.
4. На основании полученных результатов предложены следующие методы диагностики 2D электронных систем:
метод бесконтактного измерения проводимости бхх;
метод обнаружения крупномасштабных С>1 ) пространственных неоднородностей встроенного потенциала 2D системы.
Проведенные исследования дают целостную картину низкочастотной динамики 2D системы в сильном магнитном поле.
Основные положения, выносимые на защиту, заключается в следующем.
-
В режиме КЭХ определено пространственное распределение электрического поля КМБ, закон дисперсии КМП, КМП в системе, состоящей из двух параллельных 2D слоев.
-
В результате исследования свойств КМП б широком диапазоне подвижностей C/u~1.2-10-10eCMa/B.c) 2D электронного газа обнаружено и объяснено аномальное затухание КМП в образцах высокого качества. Обнаружены КМП-подобные возбуждения на крупномасштабных флуктуациях встроенного потенциала 2D системы. Показано, что существующие теории даст только качественное согласие с экспериментом.
-
Из эксперимента, а также расчета отклика 2D системы в приближении локальной емкости, установлено существование характерной для 2D системы длины 1Е> определяющей пространственное распределение индуцированных заряда и потенциала вблизи неоднородностей системы. Исследована ситуация, когда величина 1 велика и сравним с размером образца L. В этом случае обнаружен эффект, обусловленный изменением характера экранирования внешнего электрического поля 2D электронами.
-
Исследован случай, когда 1E<
7 гсше lg. Обнаружены особенности в отклике 2D системы, которые іязьюаются с бездиссипативным протеканием индуцированных токов ілизи неоднородностей встроенного потенциала 2D системы, вклю-ія естественную границу образца. Рассмотрена область применимо-гя макроскопического описания динамики 2D системы.
5. Развита низкочастотная диагностика 2D системы: предложены >тод бесконтактного измерения проводимости бхх и метод обнаружил крупномасштабных неоднородностей потенциала 2D системы.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на XIII Зим-;й школе по физике полупроводников СЛенинград, 1987), XI Все->юзной конференции по физике полупроводников СКишинев, 1988), CV Всесоюзном совещании по физике низких температур СЛенинград, 388), The Eighth Internetional Conference on Electronic Proper-.es of Two-Dimensional Systems CGrenoble, France, 1989), The iternetional Conference on The Application of High Magnetic .elds in Semiconductor Physics CWurzburg, Federal Republic of ;rmany, 1990), на семинарах в ФИАН СССР, ФТИ АН СССР, ИФП СО АН ;СР и ИРЭ АН СССР.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных ібот.
Диссертация состоит из Введения, четырех глав. Заключения и гаска литературы.