Новости науки 05.12.01. Распространение ультразвуковой волны
в режиме самоиндуцированной прозрачности.
При распространении ультразвука в твердом теле из-за акустоэлектронного
эффекта имеет место затухание. Однако, как показано в теоретической
работе ученых из новосибирского института физики полупроводников
и мюнхенского университета, в твердотельных гетероструктурах может
быть реализована ситуация, когда под влиянием мощной ультразвуковой
волны свойства электронной подсистемы изменяются, в результате чего
распространение звуковой волны должно происходить практически без
затухания.
Рис.1. a - сечение гибридной структуры, содержащей слой с квантовой
ямой на поверхности пьезоэлектрического кристалла, в которой распространяется
поверхностная акустическая волна; b - схематическое изображение
профиля потенциала и энергетической структуры созданных ультразвуком
движущихся "квантовых нитей"; c - изображение массива движущихся
"квантовых точек", созданных двумя ПАВ.
В 1962 году в пионерской работе Л.В.Келдыша было высказано предположение,
что с помощью интенсивного ультразвука в полупроводнике можно создать
искусственную структуру (сверхрешетку). Вследствие зависимости ширины
запрещенной зоны полупроводника от давления звуковая волна, представляющая
собой совокупность областей растяжения и сжатия, приводит к периодической
модуляции ширины запрещенной зоны. Появление в системе дополнительного
периода приводит к локализации носителей заряда в областях с минимальной
шириной запрещенной зоны и изменению энергетического спектра структуры
(о сверхрешетках и других низкоразмерных структурах см. статью ). Подобные искусственные структуры были созданы
через несколько лет, однако модуляция ширины запрещенной зоны достигалась
либо с помощью чередования слоев различных полупроводников, либо
с помощью изменения концентрации легирующей примеси. Трудность реализации
"ультразвуковой" сверхрешетки заключается в том, что необходимо,
чтобы расстояние между областями локализации носителей было достаточно
мало, а изменение ширины запрещенной зоны достаточно велико, что
требует высокой частоты и большой интенсивности ультразвуковой волны.
Тем не менее давно экспериментально продемонстрировано, что интенсивная
поверхностная акустическая волна (ПАВ) может "захватывать" и переносить
электроны, "разбивая" электронную плазму на "полоски" (в силу вышеупомянутых
причин). В работе российских и немецких ученых [1] показано, что
при низких температурах ПАВ в гибридной структуре пьезокристалл/полупроводник
может распространяться практически без затухания в режиме самоиндуцированной
прозрачности.
Рис.2. Схематическое изображение плотности состояний для двух-,
одно- и нульмерной электронной системы.
Рассматриваемая гибридная структура (Рис. 1а) содержит квантовую яму - тонкий слой полупроводника с меньшей
шириной запрещенной зоны, окруженный полупроводником с большей шириной
запрещенной зоны, - в котором локализованы электроны. Электроны
могут свободно перемещаться в плоскости слоя и локализованы в перпендикулярном
к слою направлении, поэтому эффективная размерность электронной
системы меняется (не трехмерный, а двумерный электронный газ), соотвественно,
изменяется и электронная плотность состояний. Когда в такой структуре
распространяется интенсивная (и достачно коротковолновая) ПАВ, под
ее действием двумерный электронный газ "разбивается" на полоски
достаточно малой ширины (Рис. 1b). Поскольку электрон оказывается
локализованным уже в двух направлениях и может свободно перемещаться
только в одном, то плотность состояний становится уже одномерной
(Рис. 2). Если же в структуре распространяются перпендикулярно друг
к другу две такие поверхностные волны, то образуется движущаяся
совокупность потенциальных минимумов (Рис. 1c) и электрон оказывается
локализованным уже во всех трех направлениях, при этом плотность
состояний становится уже квазиатомной (дискретный энергетический
спектр).
К чему это приводит? В двумерном случае в процессе движения ПАВ
должна происходить диссипация энергии, связанная с тем, что увлекаемые
волной электроны испытывают рассеяние на дефектах кристаллической
решетки и энергия при этом передается решетке. Но в результате изменения
элекронной плотности состояний под действием интенсивной ультразвуковой
волны рассеяние электронов оказывается сильно подавленным и даже
практически сведенным к нулю (в случае двух ПАВ), поэтому ультразвуковая
волна может распространяться без затухания.
1. A.O.Govorov, A.V.Kalameitsev, V.M.Kovalev et al., Phys.Rev.Lett.
v.87, 226803 (2001).
|