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).

перейти к началу страницы