Туннелирующие электроны показали зонную структуру глубоких слоев

Туннелирующие электроны показали зонную структуру глубоких слоев

Американские физики разработали новый метод визуализации зонной структуры двумерных слоев, находящихся довольно далеко от поверхности материала. Опубликованная в Science работа рассказывает о подходе, основанном на совмещении сканирующей туннельной микроскопии и фотоэлектронной спектроскопии. С помощью предложенного метода можно получать изображение электронной структуры полупроводниковых и проводящих материалов, а также исследовать взаимодействие электронов с кристаллической решеткой. 

В кристаллической решетке полупроводникового или проводящего материала электроны отдельных атомов из-за взаимодействия друг с другом формируют сложные скоррелированные системы. Для удобства исследования таких систем энергетическое состояние электронов обычно рассматривают в пространстве энергия-импульс. Именно в таком представлении можно наблюдать образование энергетических зон в кристалле: зону проводимости и валентную зону. Форма этих зон является показателем электронных свойств кристалла — будет он проводником, полупроводником, или обладать какими-то необычными свойствами. Однако не для всех материалов существуют методы точного измерения зонной структуры. В частности, до сих пор не удавалось экспериментально исследовать энергетические зоны отдельных двумерных слоев внутри многослойных кристаллических структур, однако такие данные могли бы помочь ученым в создании многослойных структур с заданными электронными свойствами.

Американские физики под руководством Чжунхо Чжана (Joonho Jang) из Массачусетского технологического института разработали метод, с помощью которого можно получать изображение зонной структуры двумерных слоев внутри материала. Для этого они объединили методы сканирующей туннельной микроскопии и фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Обычно фотоэлектронная спектроскопия используется для исследования зонной структуры поверхностей, а в случае однородности материала по ней можно восстановить зонную структуру вещества. В своей работе ученые предложили объединить ее с туннельной микроскопией, чтобы с помощью инжектированных туннельных электронов можно было изучать свойства слоев, находящихся в глубине материала. В качестве модельной системы для демонстрации работы предложенного подхода авторы работы изучили зонную структуру полупроводниковой пленки арсенида галлия.

В результате эксперимента ученым удалось не только получить изображение зонной структуры полупроводникового слоя, но и обнаружить при определенных внешних условиях необычные эффекты. В частности, при приложении перпендикулярного магнитного поля больше 5 тесла наблюдалось расщепление зоны проводимости. По словам ученых, раньше такой эффект никто не наблюдал. Обнаруженный эффект авторы исследования связывают с взаимодействием электронов с колеблющимися с увеличенной интенсивностью ионами решетки.

По словам ученых, предложенный метод можно использовать для изучения энергетических зон самых разнообразных двумерных кристаллических слоев: это могут быть не только полупроводники и проводящие материалы, но и материалы, которые не проводят электрический ток и в которых плотность носителей заряда равна нулю. Кроме того, с помощью предложенного метода можно получить информацию об эффектах взаимодействия электронов с другими квазичастицами: образование плазмонов и поляронов или взаимодействие электронов с фононами. Отдельным достоинством метода является возможность его использования при больших внешних магнитных полях.

Изучение зонной структуры двумерных материалов позволяет оценивать и предсказывать электронные свойства и более необычных кристаллов. В частности, по характеру перекрытия энергетических зон можно говорить о сверхпроводящих свойствах двумерных кристаллов.

Александр Дубов

N+1

Похожие новости:
На дне Марианской впадины нашли колонии бактерий
Группа ученых обнаружила активные бактериальные колонии на дне Марианской впадины. Исследования показали, что эти бактерии вносят значительный вклад в океанский углеродный цикл, говорится в статье, опубликованной в Nature Geoscience. Обзор статьи приводит EurekAlert. Исследователи под руководством профессора Ронни ..
2013-03-18 3685 0 Научные открытия
5
В гигантских алмазах нашли следы жидкого металла из мантии Земли
Международная группа геохимиков провела анализ состава редких гигантских алмазов и выяснила, что они образовались в жидкой металлической фазе глубоких слоев мантии Земли. Описание исследования опубликовано в журнале Science.Мантия — часть Земли, которая расположена непосредственно под корой над ядром ..
2016-12-21 4542 0 Научные открытия
0
Российские физики открыли способ создания сверхтонких алмазов
Если углерод в виде нескольких слоев графена обработать водородом, он способен превращаться в диаман — сверхтонкую алмазную пленку. Открытие, которые совершила российско-американская группа физиков под руководством Павла Сорокина из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, опубликовано ..
2014-02-07 1677 0 Научные открытия
0
Физики сфотографировали атом водорода
Группа ученых из Германии, Греции, Нидерландов, США и Франции получила снимки атома водорода. На этих изображениях, полученных при помощи фотоионизационного микроскопа, видно распределение электронной плотности, которое полностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Работа международной группы представлена ..
2013-05-27 2310 1 Научные открытия
0
Физики объяснили природу третьего радиационного пояса Земли
Международная группа астрофизиков во главе с Юрием Шприцем из Массачусетского технологического института и Сколковского технологического института определила природу недавно открытого третьего радиационного пояса Земли. Ученые показали, что во внешнее кольцо, обнаруженное в феврале 2013 года, попадают ультрарелятивистские ..
2013-09-23 1694 0 Научные открытия
0
Российские физики «научили» сверхпроводники управлять магнитным полем
Сверхпроводимость, которая почти несовместима с магнитным полем, может при определенных условиях способствовать его распространению, выяснили российские ученые. Устройства на базе этого эффекта могут приблизить эпоху компьютеров будущего — спинтронных вычислительных машин. Результаты исследования опубликованы в журнале ..
2015-10-05 1646 0 Научные открытия
0
Физики впервые засняли электрический ток в графене
Ученые из Мельбурнского университета впервые засняли движение электронов в графене. Понимание поведения токов в сверхтонких материалах поможет в разработке эффективных устройств на их основе. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.Электронные устройства следующего поколения, разрабатываемые на основе графена и других сверхтонких ..
2017-04-30 18137 0 Научные открытия
0
Суперкомпьютер расщепил электрон на две части
С помощью Большого адронного коллайдера, физики сталкивают друг с другом тысячи протонов и других элементарных частиц, чтобы увидеть из чего они состоят. Но им никогда не удастся проделать подобное с электронами. Не важно, как велика задействованная энергия, эти маленькие, негативно заряженные частицы ..
2012-01-23 2479 2 Научные открытия
0
Возбуждение электронов записали на видео
Инженеры из Массачусетского технологического университета записали на видео возбуждение электронов, происходящее на поверхности топологических изоляторов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, кратко ее содержание можно прочитать на сайте университета. Записать динамику электронного феномена, который длится не более 5 пикосекунд (10-12секунд) ..
2012-09-19 1474 0 Научные открытия
0
«Зоопарк» квазичастиц пополнился квантовыми каплями
Германо-американская группа физиков обнаружила феномен, который можно описать с помощью нового типа квазичастиц, так называемых квантовых капель или дроплетонов (dropleton). Исследование опубликовано в Nature, кратко о его значении пишет Wired. Квантовые капли обнаружились в экспериментах физиков неожиданно — существование ..
2014-02-28 1856 0 Научные открытия
0
Ученые изучили биологические нанопровода
По данным исследования, информация о котором опубликована в «mBio», онлайн журнале открытого доступа Американского общества микробиологии, во вторник, 12 марта, тонкие бактериальные нанопровода становятся проводящими при наличии определенных аминокислот. Встречающиеся в природе бактерии Geobacter sulfurreducens используют эти нанопровода, называемые ..
2013-03-12 1343 0 Научные открытия
0
Ученые придумали фотонный коллайдер
Физики-теоретики из Великобритании и Германии предложили схему получения материи из света. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Nature Photonics, кратко с ним ознакомится можно на сайте Phys.org. Ученые придумали установку, в которой фотоны (безмассовые частицы света) превращаются в массивные частицы, ..
2014-05-19 2276 0 Научные открытия
0
Физики увидели предсказанные в 1929 году безмассовые фермионы
Физики сообщили об экспериментальном открытии так называемых фермионов Германа Вейля. Их существование было теоретически предсказано немецким физиком в 1929 году, а квазичастицы ученые обнаружили в ходе экспериментов с кристаллами. Результаты своих исследований ученые опубликовали в журнале Science. Вейлевские квазичастицы ..
2015-07-18 6654 0 Научные открытия
0
Геологи разобрались с направлением вращения ядра Земли
Геофизики из британского университета Лидса и Института геофизики при Швейцарском федеральном технологическом институте смогли разрешить противоречие между сейсмическими наблюдениями и данными наблюдений за магнитным полем планеты. В частности, исследователи объяснили то, почему разные методики определения направления вращения ..
2013-09-18 2262 0 Научные открытия
0
Ученые IBM научились управлять спином электронов
Ученые из из IBM Research и Лаборатории физики твердого тела в ETH Zurich продемонстрировали новую технологию, с помощью которой можно управлять спином, направлением вращения электрона, и заставить перемещаться электроны, соблюдая строгий установленный порядок. При этом, время фиксации спина электронов ..
2012-08-21 1751 0 Научные открытия
1