«Свидание электронов»: зафиксировали эффект группировки при туннелировании через атом

Международная группа учёных при участии исследователя из МФТИ впервые получила экспериментальные свидетельства того, что электроны могут туннелировать через одиночный атомный дефект не только поодиночке, но и с положительными корреляциями — группами. Такой режим возникает благодаря взаимодействию электронов с колебаниями кристаллической решётки и до сих пор не имел прямого экспериментального подтверждения в атомном масштабе. Исследование открывает путь к созданию принципиально новых источников коррелированных частиц для квантовых технологий. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Согласно стандартным представлениям, при туннелировании через локализованное состояние электроны обычно проходят по одному — из-за кулоновской блокады, когда добавление второго электрона требует дополнительной энергии. Такой режим приводит к антигруппировке. Однако теоретические модели последних двух десятилетий предсказывали, что сильная связь электронов с колебаниями кристаллической решётки может менять эту картину и приводить к положительным корреляциям между туннельными событиями. Для одиночного атомного дефекта экспериментального подтверждения этому ранее не существовало. Авторы работы использовали сканирующий туннельный микроскоп с криогенными измерительными схемами мегагерцового диапазона, что позволило не только получать изображения атомов, но и анализировать статистику туннелирования электронов.

Объектом внимания стали отдельные атомы железа, встроенные в кристалл селенида висмута (Bi₂Se₃) — материала с сильным взаимодействием электронов с фононами. Как рассказал руководитель Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров, эксперименты и расчёты показали, что эти примесные атомы создают в запрещённой зоне локализованные электронные состояния, эффективно взаимодействующие с окружающими фононными модами — особенно заметно это у поверхности материала. Измерения дробового шума выявили, что в области резонансного пика фактор Фано превышает единицу, достигая 1,16, что свидетельствует о сверхпуассоновской статистике: электроны проходят через примесный атом группами. На димерах железа, где доминирует кулоновская блокада, наблюдалась противоположная картина — подавление шума; контрольные измерения в магнитных полях до 5 Тл не выявили влияния спиновой динамики на эффект.

Обнаруженный эффект объясняется тем, что прошедший электрон возбуждает колебательную моду примесного атома, и пока это возбуждение не затухло, вероятность туннелирования следующего электрона возрастает. Разработанная теоретическая модель описывает наблюдаемую величину сверхпуассоновского шума при времени жизни виброна порядка пикосекунды, что согласуется с независимыми спектроскопическими данными. В перспективе управление такими процессами может стать основой новых способов применения квантовых материалов — с учётом не только отдельных электронов, но и их коррелированных групп. Однако для практического использования эффекта необходимо научиться обеспечивать когерентность между электронами, что остаётся задачей будущих исследований.

Изображение: Magnific