Введение к работе
Актуальность темы.. Развитие электроники в последние десятилетия во многом определяется возможностями, которые открываются благодаря уменьшению размеров основных базовых элементов электронных схем. К настоящему времени миниатюризация достигла такой степени, что для описания работы приборов все чаще приходится привлекать качественно новые понятия. Действительно, современный уровень технологии допускает создание структур, размеры которых сравнимы с длиной свободного пробега, длиной фазовой когерентности или длиной волны электрона. В некоторых, специально разработанных устройствах, отдельный электрон может представлять собой единичный бит передаваемого потока информации. Правильное описание процессов, происходящих в таких и подобных структурах ухе невозможно в рамках квазиклассических теорий, - которые с успехом применялись до сих пор, поскольку поведение электрона становится существенно квантовым. Часто, при этом, выявляются пределы развития твердотельной электроники, которые определяются уже не теми или иными технологическими возможностями, а фундаментальными законами природы. Вместе с тем, изучение физики микроструктур приводит иногда к открытию принципиально новых свойств, которые не только преспективны с точки зрения их практического применения, но и представляют значительный научный интерес. В последние года был обнаружен ряд интереснейших эффектов, порой весьма неожиданных, так или иначе связанных с квантовой природой электронного транспорта. Среди наиболее известных главное место занимают явления, в основе которых лежит электронная интерференция -это эффекты локализации, мезоскопика, эффект Ааронова-Вома.
Первой яркой демонстрацией роли интерференции в процессах электронного транспорте в твердых телах стало решение задачи о движении электрона в присутствии беспорядка. Все реальные системы в той или иной степени содержат элемент беспрядка - от относительно небольшого чксла примесей и несовершенств в слабо неупорядоченных кристаллических структурах до сильного беспорядка в сплавах и стеклах. Долгое время для изучения процессов в системах со слабым беспоряд-
ком использовался традиционный подход, основанный на рассмотрении некогерентного рассеяния Олоховских волн. В рамках этого подхода проводимость металлического образца с уменьшением температуры стремится к некоторой константе - так называемой остаточной проводимости, связанной с рассеянием электронов на примесях и несовершенствах. С повышением температуры проводимость уменьшается в связи с появлением дополнительных механизмов рассеяния. Этот подход не давал заметных расхождений с экспериментом при достаточно высоких температурах, но в низкотемпературных экспериментах наблюдалось полное несоответствие наблюдаемого поведения с тем, что следовало ожидать из теории Больцмана. В 1958 году Андерсон [I] опубликовал работу, в которой он попытался дать последовательное квантовомеханическое решение задачи о движении электрона в твердом теле в присутствии беспорядка. Оказалось, что окончательный результат сильно зависит от степени беспорядка и эффективной размерности ' системы. Гак, если беспорядок в трехмерной системе превосходит некоторую критическую величину, то электронные состояния оказываются локализованными, - при нулевой температуре проводимость образца экспоненциально падает с увеличением его размеров. Если же беспорядок меньше критического, то состояния делокализованы, и проводимость в пределе бесконечного образца является константой. В одномерной системе состояния оказываются локализованными при сколь угодно слабом беспорядке. Вопрос о том, что происходит в двумерной системе долгое время оставался открытым. Известно, что даже в пределе слабого беспорядка проводимость двумерной системы в результате электронной интерференции логарифмически падает с увеличением размеров образца. Однако было неясно перейдет ли эта логарифмическая зависимость в экспоненциальную, характерную для систем с локализованными состояниями. В 1979 году была выдвинута гипотеза однопараметрического скейлинга С2], согласно которой, как и в одномерном случае, состяния, двумерной системы являются локализованными при любом беспорядке. Это утверждение, однако, не может считаться достаточно точно установленным, поскольку гипотеза скейлинга все еще окончательно не подтверждена.
В экспериментах по изучению транспортных свойств образцов малых размеров при низких температурах было обнаружено, что их сопротивление флуктуирует при изменении внешнего магнитного поля, причем полученная для каждого образца зависимость является строго индивидуальной и воспроизводится от измерения к измерению. Выяснилось также, что аналогичные флуктуации сопротивления могут наблюдаются при изменении энергии Ферми или конфигурации рассеивающего потенциала. Таким образом было установлено, что проводимость металлической системы не является величиной самоусредняющейся. При нулевой температуре сопротивление сколь угодно большого образца будет флуктуировать при изменении конфигурации рассеивающего потенциала или при изменении внешнего магнитного поля с универсальной среднеквадратичной амплитудой <ие2/п. Эти флуктуации, получившие название мезоскопических, являются результатом интерференции волновой функции и непосредственно связаны с конкретным расположением примесей в данном образце. При этом кондактанс черезвычайно чувствителен к положению отдельных рассеивателей, - независимо от их числа, перемещение одного из них на расстояние большее длины волны электрона, должно, согласно теории, приводить к изменению кондактанса на величину «ег/п.
В многосвязных проводниках, имеющих, например, вид кольца, кроме случайных мезоскопических флуктуации описанных выше, можно наблюдать периодические по магнитному полю осцилляции кондактанса - осцилляции Ааронова-Бома. Эти осцилляции имеют ту же природу, что и мэзоскопические флуктуации и возникают в результате того, что векторный потенциал 2 магнитного поля сдвигает фазу ф волновой функции на величину Дф=е/п-/Х'С1з, где ей- элемент пути на траектории электрона. Периодичность этих осцилляции является следствием того, что в многосвязных проводниках имеется выделенный контур, в результате чего часть электронных траекторий в магнитном поле приобретает относительно другой части траекторий некоторый сдвиг фазы. Дальнейшее изучение этого эффекта происходит в основном в двух направлениях. С одной стороны ведутся интенсивные исследования этих осцилляции в баллистическом одномодовом режиме [3], поскольку имеются предсказания тео-
рий [4] о том, что в этом случае возможно наблюдение стопроцентной модуляции кондактанса кольца. С другой стороны, эффект Ааронова-Бома изучается в режиме квантового эффекта Холла, когда интерференция возможна при наличии туннельной связи между краевыми состояниями, осуществляющими перенос тока в этих условиях. Эффект Ааронова-Бома в этом случае возможен даже в односвязных проводниках 15).
.Перечисление выше явления составляют основу современной физики низкоразмерных систем. В результате интенсивных исследований в этой области к настоящему времени накоплен богатый теоретический и экспериментальный материал. Тем не менее, она продолжает развиваться, поскольку существует целый ряд интересных и новых особенностей квантового транспорта, либо предсказанных теоретически, либо обнаруженных экспериментально.
Целью данной диссертационной работы является экспериментальное исследование ряда вопросов относящихся к таким явлениям квантового транспорта, как локализация, мезоскопи-ка, эффект Ааронова-Бома. Диссертация включает в себя следующие три основные задачи:
I.Исследование вопроса о возможности однопараметричес-кого описания перехода металл -диэлектрик в системе с сильным спин-орбитальным взаимодействием, каковой является система двумерных дырок у поверхности кремния.
2.Изучение мезоскопических эффектов в микромостиках на основе е-слоев GaAs, включая влияние перезарядки или перемещения отдельных примесей на универсальные флуктуации кондактанса.
3.Исследование поведения осцилляции Ааронова-Бома в квазибаллистическом электронном интерфэрометре в широком диапазоне магнитных полей.
Научная новизна работы
В работе была доказана возможность однопараметрического описания перехода металл-диэлектрик ,в .системе с сильным спин-орбитальным взаимодействием, каковой является система двумерных дырок у поверхности кремния в кремниевых МДП-транзисторах. Возможность такого описания подтверждает, предсказанный для подобных систем [61, универсальный харак-
тер поправок к проводимости от электрон-электронного взаимодействия и является серьезным аргументом в пользу справедливости гипотезы однопараметрического скейлинга.
Проведенное в настоящей работе наблюдение изменения магнетополевой зависимости кондактанса мезоскопического образца, вызванного изменением зарядового состояния отдельного рассеивающего центра, является первым наблюдением такого рода. На основании полученных зависимостей, а также среднего значения амплитуды наблюдавшихся спонтанных переключений сопротивления, осуществлена прямая проверка теоретически предсказанной- универсальности мезоскопических флуктуации. Исследован вопрос о том, состояние какой части от полного числа примесей необходимо изменить для того, чтобы полностью изменилась картина мезоскопических флуктуации в образце.
В работе было исследовано поведение квазибаллистического квантового интерферометра в широком диапазоне магнитных полей. В области слабых- полей впервые обнаружены биения осцилляции Ааронова-Бома, вызванные конечной шириной проводящих каналов интерферометра. Из периода этих биений сделана оценка эффективной ширины каналов. Показано, что в исследуемом интерферометре реализуется одномодовый режим. В квантующих магнитных полях наблюдались осцилляции магнетосопротив-ления, возникающие в результате интерференции электронов на туннельно связанных краевых токовых состояниях.
На защиту выносятся:
I.Экспериментальное доказательство возможности однопараметрического описания перехода металл- диэлектрик в системе с сильным спин-орбитальным взаимодействием.
2.Результаты исследования универсальных флуктуации кондактанса в микроструктурах, изготовленных на основе S-легированных слоев GaAs. Показано, что среднеквадратичная амплитуда этих флуктуации и ее температурная зависимость в целом удовлетворительно описываются теорией [7].
3.Экспериментальное обнаружение и исследование спонтанных одночастичных переключений сопротивления в мезоскопических образцах на основе С- легированных слоев GaAs. Получены магнетополевые зависимости сопротивления для двух различных конфигураций рассеивающего потенциала в мезоскопическом
образце, отличающихся состоянием одного рассеивателя. На основании этих зависимостей проведена проверка предсказаний теории [8,91 относительно чувствительности кондактанса мезо-скопического образца к состоянию или положению отдельного рассеивателя.
4.Результаты наблюдений особенностей поведения квазибаллистического электронного интерферометра в широком диапазоне магнитных полей. В слабых магнитных полях наблюдались биения осцилляции Ааронова-Бома, вызванные конечной шириной проводящих каналов. В магнитных полях, соответствующих квантовому эффекту Холла, обнаружены осцилляции манетосопротив-ления, которые объясняются двумя различными механизмами: интерференцией на туннельно- связанных краевых токовых состояниях и резонансным туннелированием через краевое состояние замкнутое вдоль внутренней окружности интерферометра.
Практическая ценность работы.
Результаты, изложенные выше, представляют в основном научный интерес. Тем не менее, некоторые из них могут иметь и практическое значение. Так, продемонстрированная возможность наблюдать за изменением состояния отделного рассеивающего центра в образе, насчитывающем значительное число таких центров, в перспективе может стать одним из инструментов исследованиямикроскопических процессов в макроструктурах при низких температурах.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Отдела физики поверхности ИФП СО РАН, на конурсах научных работ ИФП, на I российской конференции по физике полупроводников, Нижний Новгород, 1993, на 40М международном симпозиуме "Frontiers in high magnetic fields", Токио, 1993.
Публикации. По результатам диссертации в печати опубликовано 6 работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Объем диссертации составляет 130 машинописных страниц и включает 27 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 76 наименований.
