Сформировав две "щели" внутри сложной полупроводниковой гетероструктуры, японские ученые смогли наблюдать интерференцию электронных волн в твердом теле.

Рис.1. Вверху - положение дна зоны проводимости в гетероструктуре структуры, внизу (не в масштабе) - сечение гетероструктуры (толщины слоев указаны в нанометрах) и изображение измерительной схемы.

Волновые свойства материи - кого в настоящее время можно этим удивить? Особенно, если речь идет о столь тривиальном объекте, как электроны. В последние годы научились наблюдать волновые свойства сложных молекул, в частности, биомолекул , появились новые исследовательские методики, использующие волновые свойства частиц (такова, например, нейтронная голография ), а электроны уже десятки лет исправно работают на ученых (электронная микроскопия, электронная голография ...). Все это так, если бы не одно "но" - японские ученые провели эксперимент по наблюдению интерференции не для свободных электронов, а электронов в твердом теле [1].

Исследователи из Токийского технологического института наблюдали интерференцию электронов в опыте с двумя щелями, когда и щели, и электроны находились внутри исследуемой твердотельной структуры. Причем в отличие от проведенных ранее экспериментов с двумерным электронным газом, японские ученые использовали трехмерную геометрию и наблюдали интерференцию "горячих электронов" (электронов, энергетическое распределение которых существенно отличается от равновесного при данной температуре). Горячие электроны - весьма капризный объект для такой цели: для наблюдения интерференционной картины, очевидно, требуется иметь дело с когерентными электронными волнами, тогда как горячие электроны "так и норовят" изменить свою дебройлевскую длину волны, передавая энергию кристаллической решетке (испуская фононы ). Поскольку характерный масштаб времен тут - сотни фемтосекунд (и для экспериментов, о которых речь пойдет ниже, определяемая рассеянием на оптических фононах длина фазовой когерентности в области за щелями (рис.1) оценивалась примерно в 130 нм), имеются достаточно жесткие требования к структурам, в которых можно пытаться наблюдать интерференцию. Однако японским ученым удалось создать требуемую гетероструктуру.

Многослойная полупроводниковая структура (рис. 1, внизу) была выращена с помощью метода газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений. Пользуясь тем, что положение дна зоны проводимости для различных полупроводников отличается (рис. 1, вверху), исследователи совместили в одной структуре и "источник" горячих электронов, и две щели (ширина каждой из них - 12 нм, расстояние между их центрами составляло 25 нм, а длина - 2 мкм). Щели были "прорезаны" в слое InP (толщиной 10 нм) с помощью электронной литографии (место стравленного InP при последующем росте занял GaInAs и, таким образом, в потенциальном барьере для электронов образовалось два "провала"). Эксперименты проводились при температуре 4.2 K. Электроны из эмиттера (рис.1, внизу) через туннельно-прозрачный барьер поступали в слой твердого раствора GaInAs толщиной 50 нм, формируя плоскую электронную волну, которая падала на щели, "прорезанные" в достаточно толстом барьере InP. После прохождения щелей электроны (c дебройлевской длиной волны порядка 20 нм) оказывались в слое GaInAsP (толщиной190 нм) и результирующая интерференционная картина регистрировалась с помощью массива металлических электродов, нанесенных на поверхность структуры (ширина отдельного электрода была менее 80 нм).

Рис.2. Зависимость тока коллектора от магнитного поля. Пустыми кружками показаны результаты измерений, сплошная кривая - расчет.

Сигнал снимался только с центрального электрода, а для "развертки" интерференционной картины использовалось магнитное поле. На рис.2 показаны результаты измерений - изменение тока коллектора в зависимости от магнитного поля, являющееся результатом интерференции электронных волн. В идеальном случае следовало бы ожидать, что максимум тока должен наблюдаться при нулевом поле, но никакой интересной физики в наблюдающемся смещении максимума нет: оно обусловлено банальным смещением положения электрода относительно щелей (центра электрода находится не точно над щелями, как изображено на схеме структуры в нижней части рис.1.).

1. Kazuhito Furuya, Yasunori Ninomiya, Nobuya Machida, and Yasuyuki Miyamoto. Phys.Rev.Lett., v.91, 216803 (2003).

Е.Онищенко