В стандартной микроэлектронике применяется кремний и подобные ему полупроводники. Но в последнее время инженеры заинтересовались электронными свойствами оксидов металлов – более сложных материалов, чьи свойства поддаются «тонкой настройке». В Венском технологическом университете осуществили важный прорыв в данном направлении. В титанате стронция (SrTiO3) создан двухмерный “газ из электронов”: в тонком слое непосредственно под поверхностью электроны свободно двигаются и занимают различные квантовые состояния. Титанат стронция – не просто неплохая замена стандартным проводникам; он показал такие необычные явления, как сверхпроводимость, термоэлектричество и странные магнитные свойства.
Не все атомы этого материала расположены одинаковым образом: если разрезать титанат стронция под определенным углом, атомы поверхностного слоя «лягут» в особую структуру. «В глубине вещества каждый атом титана связан с шестью атомами кислорода, а на поверхности – всего с четырьмя», – рассказывает профессор Ульрика Диболд (Ulrike Diebold). Это явление придает поверхности химическую стабильность (обычно такие материалы повреждаются при контакте с водой и кислородом).
Атомарная структура титаната стронция
А при «бомбардировке» титаната стронция волнами интенсивного электромагнитного излучения произошло нечто поразительное: радиация убрала атомы кислорода с поверхности. Другие атомы кислорода поднимаются на их место из толщи вещества. Внутри материала создается дефицит кислорода, а также избыток электронов.
Кристалл титаната стронция в вакуумной камере
«Эти электроны, расположенные в двухмерном слое возле поверхности, двигаются свободно. Мы назвали это явление “газом из электронов”», – рассказывает профессор Карстен Хелд (Karsten Held). Впервые ученым удалось создать стабильный «газ из электронов» у поверхности материала. Свойства электронов в нем можно настраивать, меняя интенсивность излучения.
«В физике твердого тела важную роль играет так называемая зонная структура материала: это понятие описывает отношение энергии к импульсу электронов. Удивительное свойство поверхности нашего вещества заключается в том, что различные квантовые состоянии электронов дают различные типы зонных структур», – говорит Хелд.
Ученые сейчас работают с «газом из электронов», выясняя, какие свойства его способствуют сверхпроводимости и любопытным магнетическим эффектам. Исследование представлено в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.