15.10.01 Дробные заряды на поверхности кристалла

Топологические дефекты, несущие на себе дробный заряд, уже наблюдались в конденсированных средах (дробный квантовый эффект Холла — самый известный пример). Похоже, что семейство таких дефектов может пополниться: итальянские ученые предсказывают, что при высоких температурах на поверхности кристалла германия могут возникать точечные дефекты, несущие половину заряда электрона.

Конечно же, никакой мистики в существовании дефектов с дробным зарядом нет. Такая ситуация просто означает, что в конденсированной среде могут возникнуть сразу несколько дефектов, связывающих один-единственный электрон. При этом важно то, что сами по себе дефекты могут быть сколь угодно удалены друг от друга (причем при затрате конечной, не бесконечно большой энергии связи) и тем не менее непрерывно чувствовать друг друга за счет постоянного "перебрасывания" электроном.

В дробном квантовом эффекте Холла роль таких топологических дефектов играли вихри многоэлектронной волновой функции. А что же может быть в случае поверхности кристалла?

Авторы работы [G.Ballabio et al., Phys.Rev.Lett. 87, 186802 (2001)] провели теоретический анализ структуры (111) поверхности в чистом германии. Используя известные экспериментальные данные, они построили микроскопическую модель этой поверхности. В принципе, давно было известно, что структура поверхности претерпевает фазовый переход при T = 540K и становится проводящей, но вот детали того, что именно происходит с поверхностью, до сих пор были неизвестны.

Рис.1 Теоретическое моделирование структуры поверхности Ge(111) при высоких температурах. Большие и малые кружки отвечают поверхностным атомам германия и валетным электронам. Точечные дефекты, возникающие на стыке трех стенок, условно показаны треугольниками.

Заслуга итальянских исследователей состоит в том, что в рамках своей модели они смогли определить, как перестраивается поверхность и что именно является переносчиком зарядов. Их вычисления показывают, что атомы, блуждающие по поверхности, образуют шестиугольные ячейки неправильной формы. Каждый из атомов держит на себе три электрона. Четвертый же валентный электрон привязан не к одному конкретному атому, а удерживается тремя атомами-соседями.

Граничащие ячейки формируют линейный топологический дефект — стенку (Рис.1). Как показали вычисления электронной структуры поверхности, на каждую такую стенку приходится лишний "четвертый" электрон. Особенность его, однако, заключается в том, что он не размазан по всей стенке, а локализован на ее концах, то есть, в местах стыка стенок. В результате каждый стык трех стенок несет на себе дополнительную половину заряда электрона.

Осталось теперь добавить, что длина каждой стенки не фиксирована. Ячейки могут меняться и деформироваться, а значит, дефекты могут перемещаться, в частности, дрейфовать под действием электрического поля. Таким образом, эти дефекты являются настоящими степенями свободы поверхности кристалла, и значит, могут быть названы квазичастицами с дробными зарядом.

Авторы работы указывают, что их модель прекрасно описывает ряд недавних экспериментальных данных, что, на их взгляд, является подтверждением всей теоретической конструкции.

перейти к началу страницы