В МФТИ впервые зафиксировали группировку электронов при туннелировании через атом
Международная группа ученых при участии исследователя Московского физико-технического института впервые получила экспериментальные свидетельства того, что электроны могут туннелировать через одиночный атомный дефект не по одному, а группами. Эффект возникает из-за взаимодействия частиц с колебаниями кристаллической решетки и ранее не наблюдался напрямую на атомном уровне.
Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Исследование может помочь в разработке локальных источников коррелированных частиц для квантовых технологий, где важны не только характеристики отдельных электронов, но и взаимосвязь между последовательными событиями туннелирования.
Как электроны начинают проходить группами
В обычной ситуации электроны, проходящие через локализованное состояние, туннелируют поодиночке. Это связано с кулоновской блокадой: для размещения второго электрона в том же состоянии требуется дополнительная энергия. В результате вероятность близких по времени событий снижается — возникает антигруппировка.
Теоретические модели, сформированные за последние два десятилетия, предполагали, что сильное взаимодействие электронов с колебаниями кристаллической решетки способно изменить этот сценарий. Прошедшая частица возбуждает колебательную моду, а пока возбуждение не успело затухнуть, вероятность туннелирования следующего электрона повышается.
Для проверки этой гипотезы ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп с криогенными измерительными схемами мегагерцового диапазона. Установка позволила не только визуализировать отдельные атомы, но и исследовать дробовой шум — статистику туннельных событий. Такой анализ показывает, проходят ли электроны независимо друг от друга или между ними существуют корреляции.
Эксперимент с атомами железа
Объектом исследования стали отдельные атомы железа, встроенные в кристалл селенида висмута (Bi₂Se₃). Этот материал отличается сильным взаимодействием электронов с фононами — колебаниями кристаллической решетки. Примесные атомы железа создают в запрещенной зоне локализованные электронные состояния, которые взаимодействуют с окружающими фононными модами. Особенно удобно изучать этот процесс у поверхности кристалла с помощью специально оснащенного туннельного микроскопа.
В области резонансного пика фактор Фано достиг 1,16, то есть превысил единицу. Это указывает на сверхпуассоновскую статистику: электроны проходили через примесный атом не независимо, а с положительными корреляциями. Для сравнения, на димерах железа, где доминирует кулоновская блокада, ученые наблюдали подавление шума и противоположный тип статистики.
Контрольные эксперименты в магнитных полях до 5 Тл не выявили влияния спиновой динамики примеси на наблюдаемый эффект. Теоретическая модель связала измеренный уровень сверхпуассоновского шума со временем жизни вибрационного возбуждения порядка пикосекунды. Это значение согласуется с результатами независимых спектроскопических исследований.
Перспективы для квантовых технологий
Авторы считают, что управление подобными процессами в будущем может привести к созданию новых методов работы с квантовыми материалами и источников коррелированных электронов. Однако одного факта группировки недостаточно для практических применений: исследователям еще предстоит научиться сохранять когерентность между электронами. Работа выполнена при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования России.
