Введение к работе
Актуальность темы. Успехи современной технологии позволили создавать объекты с характерными размерами, приближающимися к длине волны электрона. К их числу относятся квантовые точки, антиточки, периодические решетки, микроконтакты, кольца, проволоки. Изучение этих объектов, интенсивно проводящееся в настоящее время, стимулируется как прикладными так и научными проблемами. С одной стороны, эти объекты можно рассматривать как системы с искусственными атомами, молекулами, ядрами, как кристаллическое и некристаллическое твердое тело, позволяющие исследовать квантовые интерференционные явления. С другой стороны, наноструктури-рование стимулируется практическими потребностями в сокращении размеров полупроводниковых приборов и времени их переключения.
Периодические решетки антиточек создавались для того, чтобы наблюдать чисто квантовые эффекты, а именно, бабочку Хофштад-тера, описывающую структуру энергетических зон периодической решетки в магнитном поле, и эффект Ааронова-Бома. Тем не менее, размеры большинства созданных структур превышают длину волны электрона и поэтому в них в первую очередь проявилось чисто классическое явление — геометрические резонансы магнетосопротпвления [1,2], связанные с соизмеримостью размеров решетки и циклотронного диаметра. Яркости этих резонансов способствовало то, что длина свободного пробега в этих структурах значительно превышает период решетки п движение электрона является баллистическим.
Первое объяснение геометрических резонансов, предложенное в работе [2], было связано с появлением пиннингованных орбит, не сталкивающихся с антиточками. Оно согласуется с наблюдаемым магнетосопротивлением лишь качественно: значительную амплитуду модуляций магнетосопротпвления не удается объяснить в рамках такой модели. Наличие пиннингованных траекторий в жестком потенциале при его частичном смягчении приводит к возникновению островков устойчивого локализованного движения [3]. В работе [1] было указано на важную роль устойчивых делокалюованных ("убегающих") траекторий и близких к ним.
В потенциале периодической решетки переменные, описывающие движение электрона, как правило, не разделяются. В результате движение электронов является достаточно сложным. Такие задачи изучаются в теории динамического хаоса. С этой точки зрения перподи-
ческпе решетки антиточек являются твердотельными реализациями биллиардов Синая, которые долгие годы изучались лишь теоретически. Экспериментальное изучение этих систем позволяет проверить основные выводы теории динамического хаоса о наличии устойчивых областей в.фазовом пространстве, переходе от порядка к беспорядку и. др.
Как показывают последние работы [4,5,6,7,8], транспортные свойства решеток антиточек не сводятся только к классическим эффектам. В этих работах были обнаружены более тонкие эффекты, наблюдаемые при низких температурах и связанные с квантовой интерференцией электронных волн. А именно осцилляции Ааронова-Бома вблизи нулевого магнитного поля, апериодические и квазипериоди-ческне осцилляции магнетосопротивлекия подобные универсальным флуктуациям кондактанса, наблюдаемым в разупорядоченных проводниках. Эти эффекты к настоящему времени не достаточно полно исследованы экспериментально и не имеют удовлетворительного теоретического объяснения. Совершенно не изученными как экспериментально так и теоретически остаются вопросы слабой локализации в этих системах. Изучение этих вопросов позволило бы расширить наши представления о роли квантовой интерференции в транспортных явлениях.
Можно надеяться, что дальнейшее изучение этих проблем позволит построить законченную физическую картину переноса заряда в системах с динамическим хаосом.
Цель данной диссертационной работы состоит в экспериментальном и.теоретическом исследовании транспортных свойств двумерных систем с периодической решеткой искусственных рассеивателей на основе высокоподвпжных гетероструктур GaAs/AlGaAs, изучение роли динамического хаоса в процессах переноса заряда в этих системах, а также влияние эффектов квантовой интерференции.
Научная новизна работы, Все основные результаты и выводы диссертации являются оригинальными. Впервые указано на роль динамического хаоса в транспортных свойствах периодических решеток антиточек и обнаружены устойчивые регулярные электронные траектории, убегающие вдоль рядов решетки, ответственные за соизмеримые максимумы магнетосопротивления. Впервые экспериментально обнаружены и исследованы нелинейные и нелокальные эффекты в
решетках антиточек, а также экспериментально исследованы транспортные свойства решеток с наинизшей возможной симметрией.
Впервые экспериментально исследованы эффекты'слабой локализации и мезоскопические флуктуации кондактанса двумерного электронного газа в периодической решетке антиточек. Обнаружена аномальная зависимость этпх флуктуации от температуры. Показано, что она связана с необычным распределением по площадям S интерферирующих траекторий, в котором обнаружен максимум при S/d2 = 1, где d — период решетки. Полученные результаты указывают на неуниверсальность мезоскопических флуктуации кондактанса в электронном биллиарде в отличие от неупорядоченного проводника.
На защиту выносятся:
-
Экспериментальное и теоретическое изучение соизмеримых осцилляции магнетосопротивления периодических решеток антпточек и их последовательное описание на основе новой развитой в диссертационной работе модели убегающих электронных траекторий в рамках теории динамического хаоса.
-
Экспериментальное обнаружение и исследование нелинейных эффектов в классическом магнетотранспорте в решетках антиточек и их объяснение на основе модели убегающих электронных траекторий.
-
Экспериментальное обнаружение и исследование нелокальных эффектов в периодических решетках искусственных рассеивателей, связанных с наличием устойчивых электронных траєкторнії, убегающих вдоль рядов решетки.
-
Экспериментальное изучение осцилляции Ааронова-Бома в слабых магнитных полях, эффектов слабой локализации, а также квазипериодических флуктуации кондактанса решеток антиточек и их объяснение на основе обнаруженного в результате численного моделирования аномального распределения замкнутых электронных траекторий по площадям.
-
Экспериментальное изучение мезоскопических эффектов в решетках антиточек, позволяющие вместе с результатами численного моделирования сделать вывод о неуниверсальности мезоскопических флуктуации кондактанса в электронных биллиардах.
Научная и практическая ценность работы заключается в следующем.
1. Получены оригинальные экспериментальные результаты, связанные с электронным транспортом в системах с динамическим ха-
осом, которые долгое время оставались предметом лишь теоретического изучения.
2. Изучение квантовых интерференционных эффектов в исследуемых системах позволило получить важную информацию о том, что они обладают особенностями, отличающими их от разупорядоченных проводников. В частности показано, что хорошо известные мезоскопи-ческпе флуктуации кондактанса в электронных биллиардах в отличие от разупорядоченных проводников не универсальны.
3: Результаты экспериментальных и теоретических исследований, описанные в работе, можно рассматривать как основу для построения последовательной физической картины квантового транспорта в системах с динамическим хаосом.
4. Особенности систем с динамическим хаосом, изученные в работе, в частности, тот факт, что малая доля носителей заряда в них, занимающая очень- малый фазовый объем, вносит основной вклад в проводимость, а также нелинейные и нелокальные эффекты могут служить физическими принципами работы полупроводниковых приборов нового типа.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Отдела физики поверхности ИФП СО РАН, на 1 Международной конференции "Наноструктуры: физики и технология" (С.Петербург, 1993), на Международной конференции по мезоскопической физике и технологии (Черноголовка, 1994). на Ї1 Международной конференции по сильным магнитным полям (Кембридж, 1994), на 6 Международной конференции по сверхрешеткам н микроструктурам (Банф, 1994), на 7 Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам (Мадрид,-1995), на 23 Международной конференции по физике полупроводников (Берлин, 1996), на 9 Международной конференции по сверхрешеткам и микроструктурам '(Льеж, 1996).
Публикации.' По результатам диссертации в печати-опубликовано 12 работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 117 машинописных страниц, в том числе 32 рисунка, 1 таблицу и список Литературы из 58 наименований.