Кулоновское увлечение

Кулоновское увлечение (Шаблон:Lang-en) — процесс взаимодействия пространственно разделённых зарядов посредством кулоновского взаимодействия. Проявляется в двухслойных структурах с металлическими слоями, разделёнными туннельно непрозрачным изолятором, когда ток, протекающий в одном из слоёв, создаёт ток в другом слое при замкнутой электрической цепи в этом слое или напряжение при разомкнутой цепиШаблон:Sfn. Эффект был теоретически предсказан в работе советского учёного М. Б. Погребинского.

Суть явления

Рассмотрим два проводника, разделённых непроводящим материалом. (В случае гетероструктуры, состоящей из GaAs — квантовых ям, разделённых барьером в виде AlAs). Туннельный ток между квантовыми ямами при низких температурах отсутствует в такой структуре благодаря достаточно толстому слою изолятора (AlAs). Тем не менее, электрическое поле носителей заряда в одном слое может влиять на носители тока во втором слое. Оказывается, что при протекании тока в одном слое, называемом активным слоем, носители заряда из второго слоя — соответственно, пассивного, — испытывают увлечение. В этом случае импульс и энергия носителей активного слоя может переноситься в пассивный слой и создавать ток при замкнутой цепи или напряжение, препятствующее протеканию тока, при разомкнутой цепи. Это, в частности, приводит к дополнительному электрическому сопротивлению в активном слое из-за тренияШаблон:Sfn. Тогда кулоновское увлечение может дать информацию о деталях электрон-электронного взаимодействия в разных слоях полупроводника.

Чтобы описать взаимодействие между слоями, вводят следующую характеристику (сопротивление увлечения, Шаблон:Lang-en)

$R_D=-\frac{V_2}{I_1}$,

где V₂ — напряжение, измеренное в пассивном слое, I₁ — ток активного слоя.

Феноменологическая модель

Погребинский рассмотрел взаимодействие двух проводящих слоёв в модели ДрудеШаблон:Sfn.

$\frac{d{\mathbf{\text{v}}}_1}{dt}=\frac{e}{m_1}{\mathbf{\text{E}}}_1+\frac{e}{m_1}[{\mathbf{\text{v}}}_1\times \mathbf{\text{B}}]-\frac{{\mathbf{\text{v}}}_1}{{\tau }_1}-\frac{{\mathbf{\text{v}}}_1-{\mathbf{\text{v}}}_2}{{\tau }_D}$,

$\frac{d{\mathbf{\text{v}}}_2}{dt}=\frac{e}{m_2}{\mathbf{\text{E}}}_2+\frac{e}{m_2}[{\mathbf{\text{v}}}_2\times \mathbf{\text{B}}]-\frac{{\mathbf{\text{v}}}_2}{{\tau }_2}-\frac{{\mathbf{\text{v}}}_2-{\mathbf{\text{v}}}_1}{{\tau }_D}$,

где e — заряд электрона, v_i, m_i, E_i, τ_i — дрейфовая скорость, эффективна масса, электрическое поле, время релаксации по импульсам для частиц в слое i, соответственно. Первое слагаемое описывает кулоновскую силу, второе — силу Лоренца, третье — затухание, и последнее отвечает за взаимодействие между слоями с соответствующим временем увлечения τ_D. При малом взаимодействии между слоями, когда τ_D>>τ_i, транспорт полностью независим в двух слоях и теория Друде даёт обычные выражения для тензора сопротивления (см. магнитосопротивление). В другом предельном случае сильного взаимодействия или идеальных проводников, когда τ_D<<τ_i, тензор сопротивления определяется взаимодействием между слоями и создаётся ситуация идеального увлечения. В промежуточном случае нужно ввести обычный тензор ${\rho }_{\alpha \beta }^{(ij)}$, где индексы i, j относятся к разным проводящим слоям, а греческие индексы α, β определяют пространственные компоненты. Тогда для компонент тензора сопротивленийШаблон:Sfn

${\rho }_{xx}^{(12)}=-\frac{m_2}{e^2{n}_1{\tau }_D}$,

${\rho }_{xx}^{(11)}=\frac{m_1}{e^2{n}_1}(\frac{1}{{\tau }_1}+\frac{1}{{\tau }_D})$,

${\rho }_{yx}^{(11)}=\frac{B}{e{n}_1}$.

Заметим, что отсутствует холловское увлечение и вклад в кулоновское увлечение вносит только продольная компонента тензора сопротивлений и она в этой модели не зависит от магнитного поля.

Литература

• Шаблон:Статья