Физики из Австралии, России и Великобритании создали искусственный двумерный электростатический кристалл, свойства которого можно непрерывно менять с помощью электрического напряжения и магнитного поля. Международная группа исследователей сформировала его внутри полупроводниковой структуры на основе арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия, создав в тонком электронном слое периодический электростатический рельеф.

В одном и том же чипе учёные смогли перестраивать электронный спектр от «графеноподобного» к «кагомеподобному», получая разные типы энергетических зон без замены образца. Работа с участием сотрудников Института физики полупроводников СО РАН опубликована в Nature Physics.

Главное отличие созданной системы — возможность управлять искусственным кристаллом непосредственно во время эксперимента. Для этого исследователи использовали два затвора: один регулирует концентрацию электронов, другой — глубину периодического потенциала.

Электрическая решётка вместо атомной

В обычном кристалле электроны движутся по решётке, которую образуют атомы материала. Здесь учёные сделали похожую решётку искусственно — с помощью электрического поля. Для этого над двумерным слоем электронов разместили металлический затвор с отверстиями, расположенными треугольником через каждые 100 нанометров. Электрическое напряжение создаёт вокруг них своеобразные «ямы» и «холмы» для электронов, а второй, сплошной затвор позволяет менять силу этого рельефа. При этом в полупроводнике нет специально добавленных примесей, которые могли бы создавать случайные помехи.

Благодаря этому исследователи получили чистую и управляемую систему, в которой можно переключаться между режимом, когда поведение электронов в основном задаёт искусственная решётка, и режимом, когда главную роль начинают играть взаимодействия самих электронов.

Образцы сделали и исследовали в Университете Нового Южного Уэльса, а исходные многослойные структуры GaAs/AlGaAs предоставила Кавендишская лаборатория Кембриджского университета. Сотрудники Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН Ольга и Виталий Ткаченко сопровождали эксперимент расчётами и оптимизировали конструкцию полупроводниковой структуры, а также исследовали транспорт в широком диапазоне концентраций электронов и магнитных полей.

По словам Виталия Ткаченко, путь от первоначальной идеи и расчётов до работающего устройства занял много лет.