Изучение квантовых осцилляций магнитосопротивления дает ответ на этот вопрос, однако приносит и новые сюрпризы. Об исследованиях в области межэлектронного взаимодействия международной группой ученых из ФИАН и Университета Ратгерс (США) «ФИАН-информ» рассказал один из участников группы, руководитель ЦКП ФИАН «Исследования сильно-коррелированных систем» Владимир Моисеевич Пудалов.

    Результаты исследований, недавно опубликованные* учеными из ФИАН и коллегами из Университета Ратгерс (США), направлены на решение давней проблемы понимания характера межэлектронного взаимодействия в двумерных электронных системах. Двумерные системы электронов на поверхности кремния, с одной стороны, являются основным «строительным кирпичиком» всей микроэлектроники. С другой стороны, эти системы, имеющие минимально возможную толщину равную примерно длине волны электрона (5...30 нм), являются прекрасным объектом физических исследований, в котором наиболее ярко проявляются квантовые эффекты взаимодействия (напомним, что по крайней мере, три Нобелевские премии – за Квантовый эффект Холла, Дробный квантовый эффект Холла и за графен – связаны с исследованиями двумерных систем электронов).

    В эксперименте межэлектронные взаимодействия перенормируют (изменяют) наблюдаемую эффективную массу электронов и их магнитную спиновую восприимчивость. Иными словами, взаимодействующие электроны становятся «тяжелее» и намного легче намагничиваются магнитным полем. Более того, межэлектронные взаимодействия изменяют знак сжимаемости электронной жидкости, делая ее похожей на «черные дыры» в астрофизике. Но в каком диапазоне энергий взаимодействуют электроны – этот вопрос оставался долгое время загадкой. Из интуитивных представлений казалось, что при самых низких температурах, гораздо меньших чем кинетическая энергия электронов, взаимодействие должно происходить только в узкой полосе энергий вблизи наивысшей кинетической энергии самых подвижных электронов. Именно так «организовано» взаимодействие электронов с колебаниями кристаллической решетки в металлах и полупроводниках.

    Для получения ответа на этот вопрос, в проведенных экспериментах прикладывалось сильное магнитное поле в плоскости двумерной системы, которое частично поляризовало электронные спины, т.е. создавало неравное количество электронов со спинами вдоль поля и противоположно ему. Одновременно, свойства электронов в каждой из образовавшихся спиновых подзон, изучались с помощью измерения квантовых осцилляций сопротивления (эффект Шубникова – де Гааза) в слабых перпендикулярных полях. Детальный анализ сложной картины осцилляций сопротивления показал, что эффективная масса электронов и их квантовое время рассеяния приблизительно одинаковы для обеих спиновых подзон, несмотря на то, что их заселенности сильно отличаются, вплоть до 60 %. Это означает, что за перенормировку параметров электронов ответственны взаимодействия между всеми электронами, а не в пределах каждой из подзон. Иными словами, электроны взаимодействуют путем обмена возбуждениями с высокой энергией, большей чем кинетическая энергия самих электронов.
    При более детальном рассмотрении эксперимент выявил тонкие (на уровне нескольких процентов) отличия свойств электронов в двух подзонах и изменения этого отличия с магнитным полем и температурой. Для объяснения наблюдаемых эффектов авторы предложили модель, в которой электронная жидкость рассеивается не только на примесях в объеме, но также и на легко намагничиваемых коллективных электронных состояниях («наномагнитах»), спонтанно образующихся за счет взаимодействия ферромагнитного типа между электронами вблизи границы кремния. Одновременно, проведенный анализ выявил путь существенного улучшения точности извлечения из эксперимента перенормированной взаимодействием эффективной массы электронов, которая до сих пор довольно плохо поддавалась точным измерениям.

В.М. Пудалов для АНИ «ФИАН-информ»

________________________________

* Probing Electron Interactions in a Two-Dimensional System by Quantum Magneto-Oscillations, V.M. Pudalov, M.E. Gershenson and H. Kojima, Phys. Rev. B 90, 075147 (2014).