Бесцеремонный старт электронов в кристалле не обходится без последствий для его дальнейшей судьбы. Об этом сообщают берлинские исследователи в журнале Nature. Они изучали сверхбыстрое движение электронов в кристалле арсенида галлия, который в течение короткого времени подвергался воздействию очень сильного электрического поля. Этот новый эксперимент впервые показывает совместное дрожание электронов, происходящее в дополнение к известному пространственному дрейфу этих частиц. Обнаруженный эффект может сыграть важную роль в миниатюризации электронных компонентов.
Арсенид галлия (GaAs) - один из важнейших материалов для полупроводниковой электроники. Кристалл GaAs состоит из регулярной решетки атомов галлия и мышьяка, причем атомы галлия заряжены слегка положительно, а атомы мышьяка - слегка отрицательно. Когда электрон медленно движется через кристалл, он вызывает искажение кристаллической решетки вокруг него. Отрицательный электрический заряд электрона отталкивает отрицательно заряженные атомы и притягивает положительно заряженные. Это заставляет атомы колебаться вокруг своего положения покоя: создаются колебания решетки, так называемые фононы.
Колебания решетки с последствиями
«Вы можете представить это как тяжелый мяч, катящийся по матрацу», - объясняет Михаэль Вернер, который вместе со своими коллегами Петером Гаалом, Вильгельмом Куном, Клаусом Рейманном и Томасом Эльзассером из Института Макса Борна и Рудольф Хей из Института Пола Друде провели новое исследование. «Металлические пружины матраса сжимаются, а затем снова расслабляются.“
Генерируя колебания решетки, электрон теряет энергию, и его движение замедляется. Это замедление есть не что иное, как электрическое сопротивление материала. Электроны дрейфуют через решетку с постоянной скоростью. Эта физическая картина лежит в основе закона Ома для электрического сопротивления, известного уже около ста лет.
Электроны блестяще начали
Совершенно новая ситуация возникает, когда электроны совершают кавалерийский старт, то есть когда они ускоряются - чрезвычайно сильным электрическим полем - быстрее, чем время реакции атомов вокруг них.
Для ускорения берлинские исследователи используют электрическое поле в два миллиона вольт на метр, которое они прикладывают к кристаллу в течение чрезвычайно короткого времени 0,3 пикосекунды - пикосекунда составляет миллионную миллионную долю секунды. второй. Вызванное этим движение электронов отображается ультракороткими световыми импульсами в инфракрасном спектральном диапазоне.
В отличие от дрейфового движения с постоянной скоростью, обнаруживаемого в слабых электрических полях, неожиданно скорость ускоренных электронов периодически колеблется между высокими и низкими значениями, электрон выполняет своего рода колебательное движение. Теоретические расчеты количественно подтвердили это экспериментально обнаруженное поведение.
Важен для переноса заряда в наноструктурах
"Тот факт, что быстро ускоренные электроны, с одной стороны, возбуждают колебания в атомах, а с другой стороны, попеременно замедляются и ускоряются колеблющимися атомами, имеет большое значение для переноса заряда в наноструктурах, ", резюмирует глава исследовательской группы, профессор Томас Эльзассер вместе. Из-за малых размеров там могли возникать столь же сильные электрические поля. Эльзессер добавляет: «Таким образом, наши результаты также составляют основу для оптимизации транспортных свойств полупроводниковых нанокомпонентов».