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.
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. 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).
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.
Рис.2. Схематическое изображение плотности состояний для двух-, одно- и
нульмерной электронной системы.