Фізики продемонстрували можливість управління електронами, що літають над поверхнею рідкого гелію, за допомогою полів, індукованих поверхневими акустичними хвилями в п'єзоелектриках. Для цього вони помістили тонкий шар гелію на поверхні п'єзокристалу ніобату літію, а транспорт електронної щільності детектували за допомогою додаткового електрода. Дослідження опубліковано в.
Рідкий гелій демонструє велику кількість цікавих фізичних явищ. Серед іншого, з його допомогою вдається реалізувати акціонерний газ з електронів, що парять над його поверхнею на відстані близько десяти нанометрів. Так виходить через те, що, з одного боку, у електронів є негативне споріднення до гелію, що не дозволяє їм наблизитися до поверхні рідини, а, з іншого боку, гелій слабо притягує заряд через наявність у нього відмінної від одиниці діелектричної проникності.
Від інших реалізацій акціонерного електронного газу рідкогелієвий варіант відрізняє найбільша рухливість зарядів. Велика величина міжелектронних взаємодій призводить до формування електронних рідин і навіть упорядкованих електронних решіток, що супроводжується екзотичним динамічним відгуком всієї системи. Такі процеси досліджують в основному, або за допомогою радіочастотних або СВЧ-хвиль, або аналізуючи характеристики електронів, що вилітають з поверхні. У 1986 році виникла ідея управління електронами на поверхні рідкого гелію за допомогою електричних полів, що виникають через поверхневі акустичні хвилі (ПАВ) в п'єзоелектриках, проте донедавна її експериментальної реалізації не існувало.
У новій роботі фізики зі США під керівництвом Йоганнеса Полланена (Johannes Pollanen) з Мічиганського державного університету змогли продемонструвати працездатність запропонованої раніше ідеї. Вони помістили шар рідкого гелію товщиною 70 нанометрів на поверхню полірованого п'єзокристалу ніобата літію при температурі 1,55 кельвін. У такій системі виникали поверхневі електрони, чию щільність вчені контролювали кількома електродами, а щоб уникнути їх витоку, рідина була оточена додатковим електродом, зарядженим негативно.
Нарешті, з різних кінців п'єзокристалу були встановлені зустрічно-штиреві перетворювачі (ВШП). ВШП - це пристрій, який при подачі на нього змінної напруги генерує в п'єзокристалі ПАВ. Один з ВШП створював хвилі, а інший служив їх детектором.
Створювані таким шляхом ПАВи являють собою хвилі деформації, які, поширюючись в п'єзокристалі генерують локальні електричні поля за рахунок п'єзоелектричного ефекту. Напруженість цих полів має осцилюючий характер, що створює в мінімумах відповідного потенціалу систему пасток для одиночних електронів. Ці пастки «прив'язані» до ПАВ, а тому поширюються зі швидкостями всього кілька тисяч метрів на секунду, що дуже зручно для завдань транспорту малого числа електронів.
Для детектування змін в електронній щільності на поверхні рідкого гелію, а також для додаткового контролю, фізики розмістили під кристалом три електроди, з одного з яких знімалися показання акустоелектричного струму. Збільшення концентрація електронів над електродом викликає в ньому приплив позитивного заряду, в той час як її зменшення - відтік.
У першу чергу автори досліджували залежність цього струму від частоти змінної напруги, що подається на випромінюючий ВШП. Залежність мала піковий характер і повторювала таку для коефіцієнта перетворення самого ВШП. Її максимум спостерігався на 296 мегагерцях. Змінюючи конфігурацію установки і концентрацію електронів на поверхні, фізики переконалися, що акустоелектричний струм, який детектується, з'являється виключно через ПАВ.
Крім іншого, вчені змінювали напругу на середньому електроді, який назвали затвором за аналогією з польовим транзистором. Вони з'ясували, що при досить малій напрузі на затворі в порівнянні з сусіднім електродом, акустоелектричний струм перестає текти. Отриману конфігурацію автори назвали акустоелектричним польовим транзистором.
Фізики також особливу увагу приділили тимчасовій характеризації транспорту електронної щільності. Для цього вони, подаючи на ВШП короткий імпульс, створювали акустичний хвильовий пакет невеликої тривалості, який, у свою чергу, утягував за собою хвилі електронної щільності. Досліджуючи залежність акустоелектричного струму від часу, автори зафіксували фронт збільшеної концентрації електронів, який змінився фронтом зменшеної концентрації.
Інтегруючи струм за часом, вони змогли зробити висновок про сумарну кількість перенесеного заряду. Виявилося, що його кількість лінійно залежить від потужності акустичної хвилі. Для найслабшої хвилі тривалістю 100 мікросекунд фізики домоглися перенесення всього 80 тисяч електронів. Автори сподіваються, що ця величина може бути зменшена за допомогою зміни ширини каналу, а також за допомогою додавання в установку одноелектронних транзисторів.
Рідкий гелій далеко не вперше радує вчених. Не так давно фізики побачили в ньому хірально-доменну структуру, а також запропонували з його допомогою шукати темну матерію. Детальніше про цю дивовижну речовину ви можете прочитати в нашому матеріалі «Чашка рідкого гелію».