Новости науки 19.03.01. Открытие нового типа металлического поведения

Мы привыкли к тому, что электросопротивление металлов линейно растет с повышением температуры, а проводимость, соответственно, падает. Однако в работе [X.G.Feng et al, Phys.Rev.Lett. 86, 2625 (2001)] сообщается об экспериментальном открытии совершенно иного типа металлического поведения. Ученые обнаружили, что в достаточно неупорядоченных (!) двумерных системах проводимость растет с температурой по закону s(T)=s₀+A*T². Кроме того, при понижении концентрации носителей наблюдался фазовый переход металл-изолятор, непохожий на все известные типы фазовых переходов в двумерных системах. Пикантность ситуации состоит в том, что никакие из существующих теорий двумерных металлов не могут описать эти данные.

Двумерные проводники -- это системы, в которых движение свободных носителей (электронов, дырок) возможно не по всему объему материала, а ограниченно тонким слоем. Это может быть достигнуто, например, в полевом транзисторе с помощью достаточно большого запирающего напряжения. Обладая своими особенностями, двумерные проводящие системы все же имеют немало общего и с трехмерными металлами. В частности, до сих пор во всех экспериментах с двумерными проводниками наблюдалась типичная для металлов картина: с понижением температуры (при T, стремящейся к абсолютному нулю) проводимость росла.

Это, однако, было справедливо для "идеальной" металлической системы, то есть, для кристаллического материала со строгой упорядоченностью. А что будет, если мы начнем разупорядочивать систему, повышать концентрацию примесных атомов и иных центров рассеяния? Казалось бы, это должно приводить к подавлению металлической фазы. Однако эксперимент говорит -- вовсе не обязательно! Оказывается, в присутствии определенного типа "беспорядка" обычная металлическая фаза сменяется на описанную выше фазу, обладающую падающей с понижением температуры проводимостью. Итак, первая неожиданность: новая металлическая фаза возникает лишь в достаточно неупорядоченных системах!

Вторая неожиданность заключается, собственно, в зависимости проводимости от температуры: s(T)=s₀+A*T². Надо сказать, эта формула с большой точностью выполняется в очень широкой области температур, поэтому речь идет не о "приблизительно-параболической" зависимости (которая может возникнуть, скажем, при разложении какой-либо величины в ряд Тэйлора), а об абсолютно новом эффекте. Какова его природа? Ответа на этот вопрос пока нет.

Наконец, было обнаружено, что с понижением концентрации носителей обе величины s₀ и A падают, и при некоторой критической концентрации обращаются в нуль. Это означает, в частности, что при нулевой температуре мы имеем дело с квантовым фазовым переходом металл-изолятор. (Квантовым фазовым переходом называется фазовый переход при нулевой температуре, когда система перестраивается при изменении какого-либо нетеплового параметра). Исследуя поведение системы вблизи точки фазового перехода, авторы делают вывод, что фазовый переход такого типа наблюдается в двумерных проводниках впервые.

Глядя на эту россыпь не предсказанных теорией, но наблюдаемых экспериментально явлений, можно сказать, что работа по созданию единой картины электронного транспорта в разнообразных материалах будет долгой, кропотливой и интересной.

перейти к началу страницы