Международная группа ученых 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 решетки 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. Причина этого — кулоновская блокада: добавление второго электрона в локализованное состояние требует дополнительной энергии. Такой режим приводит к антигруппировке электронов. Однако теоретические модели, развитые в последние два десятилетия, предсказывали, что сильная связь электронов с колебаниями кристаллической решетки 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, оснащенный криогенными измерительными схемами мегагерцового диапазона. Это позволило не только получать изображения атомов, но и анализировать статистику туннелирования электронов — то есть определять, проходят ли частицы преимущественно поодиночке, как ожидается в обычном режиме одноэлектронного туннелирования, или же демонстрируют положительные корреляции.
«Было проведено очень сложное исследование, длившееся несколько лет. Объектом внимания стали отдельные атомы железа, встроенные в кристалл селенида висмута (Bi₂Se₃), — материала, известного сильным взаимодействием электронов с колебаниями кристаллической решетки, то есть фононами. Эксперименты и расчеты показали, что эти примесные атомы создают в запрещенной зоне материала локализованные электронные состояния, которые эффективно взаимодействуют с окружающими фононными модами. Особенно это заметно у поверхности материала, где это явление можно исследовать при помощи специально оснащенного сканирующего туннельного микроскопа, что и было сделано», — рассказал один из авторов работы, руководитель Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.
Измерения дробового шума показали, что в области резонансного пика фактор Фано превышает единицу, достигая значения 1,16. Это свидетельствует о сверхпуассоновской статистике: электроны проходят через примесный атом не независимо друг от друга, а с положительными корреляциями — группами. При этом 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 примеси на наблюдаемый эффект.
«Обнаруженный эффект обусловлен тем, что прошедший электрон возбуждает колебательную моду примесного атома. 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 данными независимых спектроскопических экспериментов», — добавил Василий Столяров.
В перспективе управление такими процессами может стать основой новых способов применения квантовых материалов — с учетом не только отдельных электронов, но и их коррелированных групп. Такой подход может быть полезен для создания локальных источников коррелированных электронов в квантовых системах. Однако для практического использования эффекта необходимо научиться обеспечивать когерентность между электронами, что остается задачей будущих исследований.
