Исследован новый механизм управления переходом между проводящим и непроводящим состоянием (переход металл-диэлектрик) в полупроводниках. В качестве управляющего воздействия используется энергия спин-орбитального взаимодействия электрона проводимости с атомами кристаллической решётки, которую можно контролировать, замещая часть атомов материала элементами-аналогами с другим зарядом ядра. Эта методика даёт принципиально новый способ разработки материалов с заданными проводящими свойствами и расширяет возможности полупроводниковой электроники.
Полупроводники интересны тем, что они могут находиться в проводящем и непроводящем состоянии в зависимости от разных условий — температуры, наличия примесей, давления и т. д. Контролируемые переходы металл-диэлектрик под управляющим воздействием — это основа полупроводниковой техники. Так, простейший полупроводниковый элемент — диод, который проводит ток при приложении напряжения одного знака и ведёт себя как диэлектрик при перемене полярности.
В «простых» материалах свойство проводить или не проводить ток определяется количеством электронов на внешней оболочке атома: в изоляторах чётное количество электронов, в проводниках — нечётное, и внешним электронам «есть куда перемещаться», занимая свободные места у соседей. Материалы определённого класса, называемые изоляторами Мотта, являются диэлектриками несмотря на то, что согласно простой теории зонной структуры материала должны бы проводить ток. В них свободному перемещению носителей заряда препятствует электростатическое отталкивание между электронами, которое не учитывается в одночастичных моделях проводимости. Для описания этих материалов используются более сложные математические модели, учитывающие взаимодействие электронов на соседних узлах (для специалистов — см. обзор состояния этого научного направления в Reviews of Modern Physics). Так, «золотым стандартом» давно является сравнительно простая модель Хаббарда, в которой результат (проводящее или непроводящее состояние) определяется конкуренцией вкладов от энергии перескока электронов между узлами и их электростатического отталкивания.
Проводящее и непроводящее состояние в материалах, где роль играет коллективное взаимодействие электронов (те же изоляторы Мотта) можно проиллюстрировать на примере городского транспортного движения: автомобильный поток (электроны в материале) может или свободно двигаться по улицам, или стоит в пробке (состояние изолятора). Долгое время в полупроводниковой электронике было известно два типа воздействий, позволяющих менять проводимость материала: можно изменять количество свободных электронов или эффективную силу их отталкивания.
Эти два типа управляющего воздействия для изоляторов Мотта также можно объяснить на примере трафика: для перевода трафика из «проводящего» состояния в состояние пробки можно или сузить транспортные магистрали, например, заблокировав часть полос движения, или вывести на улицу дополнительное количество автомобилей, выше определённой критической массы. Эти два «способа» создать проблему в городе грубо соответствуют двум основным классам управляющих воздействий на материалы и соответственно — двум классам изоляторов Мотта. В одних переход проводник-изолятор выполняется путём управления шириной запрещённой энергетической полосы (Bandwidth control, BC), в других — управлением степенью заполнения электронами энергетических зон (Filling control, FC). В первом случае управляющим воздействием может быть, например, механическое сдавливание материала (отдалённая аналогия — пьезозажигалка), а во втором — легирование разнообразными примесями.
Исследователи из Университета Британской Колумбии, Канада, обнаружили и изучили новый механизм контроля фазового перехода между проводящим и непроводящим состоянием в материалах этого класса — спин-орбитальное взаимодействие внешних электронов в атомах решётки. Статья о разработке международного коллектива из 15 авторов вышла 27 января в Nature Physics.
В исследовании используется оксид переходного металла Sr2IrO4, в котором уже давно рассматриваются эффекты спин-орбитального взаимодействия и их влияние на энергетическую структуру и проводящие свойства материала. Электронные свойства материала изучались при помощи разновидности стандартного для таких исследований метода электронной спектроскопии — фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Для контроля всех управляющих воздействий в экспериментах изготавливались несколько «клонов» этого оксида, в которых часть атомов иридия Ir заменялась на атомы рутения Ru и родия Rh. Как видно из Периодической таблицы элементов, такая замена не меняет структуру соединения. Однако при этом атомы рутения и родия, как имеющие меньшие атомные номера, дают меньшую энергию спин-орбитального взаимодействия. Кроме того, родий Rh является практически близнецом исходного иридия, зато рутений Ru имеет на один электрон меньше — он выступает как легирующая примесь, изменяющая количество свободных электронов, то есть изменяет степень заполнения зон (механизм FC, как описано выше). Таким образом, эксперименты с различными добавками рутения и родия в исходный оксид позволяют определить и разграничить влияние различных механизмов контроля, включая изменение силы спин-орбитального взаимодействия.
Работа стала первым исследованием, в котором удалось чётко выделить эффект спин-орбитального взаимодействия и показать его роль в стабилизации диэлектрической фазы соединения. При этом трюк с использованием двух разных добавок — Ru и Rh — позволил также исключить вклад других механизмов управления, чего не удавалось сделать раньше.
Новый механизм контроля перехода проводник-диэлектрик можно упрощённо описать следующим образом. Свободный электрон на своём пути по кристаллической решётке взаимодействует с множеством атомов, временно входя в их структуру и занимая место на соответствующей орбите. Уменьшение энергии спин-орбитального взаимодействия на некоторых узлах на пути электрона позволяет при этом увеличить его кинетическую энергию так, что он легче преодолевает силу электростатического отталкивания соседей и имеет больше шансов продолжить движение: данный узел для него становится более «прозрачным», не создавая помех движению. При увеличении количества таких узлов в решётке выше некоторой критической доли материал становится проводящим — здесь можно ещё провести аналогию с явлением перколяции: например, так вода просачивается через пористую губку или карстовый известняк, если пор в материале становится достаточно много, чтобы образовать сквозные цепочки для протекания. Если продолжить аналогию с городским трафиком, этот механизм рассасывания пробок скорее похож на обустройство на некоторых перекрёстках (узлах) круговой развязки, благодаря чему автомобили (электроны) в среднем меньше задерживаются при прохождении этих узлов.
Ноу-хау работы состоит не только в открытии нового механизма контроля проводимости определённых классов полупроводниковых материалов, но и в способе, позволяющем выделить эффект спин-орбитальной связи в атомах по сравнению с другими управляющими воздействиями — в других экспериментах такие воздействия накладывались друг на друга, затеняя общую картину. Это третий вид «управления» вместе со стандартными контролем заполнения и контролем запрещённой полосы материалов, и можно ожидать появления устройств, где будет эксплуатироваться именно этот принцип.