Открыть главное меню

Кулоновское увлечение (англ. Coulomb drag) — 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 цепи[1]. Эффект был теоретически предсказан в работе советского учёного М. Б. Погребинского[2].

Суть явленияПравить

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 трения[1]. 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, англ. drag resistance)

 ,

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

Феноменологическая модельПравить

Погребинский рассмотрел взаимодействие двух проводящих слоёв в модели Друде[3].

 ,
 ,

где e — заряд электрона, vi, mi, Ei, τi — 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 τD. При малом взаимодействии между слоями, когда τD>>τi, 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 τD<<τi, тензор сопротивления определяется взаимодействием между слоями и создаётся ситуация идеального увлечения. В промежуточном случае нужно ввести обычный тензор  , где индексы i, j относятся к разным проводящим слоям, а греческие индексы α, β определяют пространственные компоненты. Тогда для компонент тензора сопротивлений[3]

 ,
 ,
 .

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.

СсылкиПравить

  1. 1 2 Narozhny, 2016, с. 2.
  2. Pogrebinskii, M. B. Mutual drag of carriers in a semiconductor-insulator-semiconductor system (англ.) // Sov. Phys. Semicond.. — 1977. — Vol. 11. — P. 372.
  3. 1 2 Narozhny, 2016, с. 4.

ЛитератураПравить