Автолокализация поверхностных электронов над структурированной подложкой, покрытой гелием

Abstract

Экспериментально исследована проводимость поверхностных электронов над плёнкой жидкого гелия, которая покрывает структурированную подложку из кремния, содержащую регулярную систему микропор, в температурном интервале T = 1,5–2,7 К. Установлено, что в области T ≥ 2,5 К проводимость резко падает, что можно объяснить образованием автолокализованного поляронного состояния электрона над гелиевой плёнкой. Для проверки предположения о возникновении поляронного состояния поверхностного электрона в плотном паре гелия выполнен теоретический расчёт свободной энергии полярона, минимум которой появляется при повышении температуры до некоторого критического значения. А зависимость от прижимающего поля находится в качественном согласии с экспериментальными данными по температуре резкого падения проводимости. Расчёт предсказывает зависимость критической температуры от параметров потенциала, действующего в плоскости поверхности гелия и связанного с искажением формы поверхности гелия из-за структуры подложки. Это способствует появлению локализованного заряда над плёнкой гелия. Результаты сравниваются с данными по автолокализации квазиодномерных электронов в паровой фазе над гелием.

Експериментально досліджено провідність поверхневих електронів над плівкою рідкого гелію, яка покриває структуровану підкладку з кремнію, що містить реґулярну систему мікропор, у температурному інтервалі T = 1,5–2,7 К. Встановлено, що в області T ≥ 2,5 К провідність різко спадає, що можна пояснити утворенням автолокалізованого поляронного стану електрона над гелієвою плівкою. Для перевірки припущення про виникнення поляронного стану поверхневого електрона в парі гелію з великою густиною виконано теоретичний розрахунок вільної енергії полярона, мінімум якої з’являється при підвищенні температури до деякого критичного значення, залежність якого від притискного поля перебуває в якісній згоді з експериментальними даними щодо температури різкого падіння провідности. Розрахунок прогнозує залежність критичної температури від параметрів потенціалу, що діє в площині поверхні гелію й пов’язаного зі спотворенням форми поверхні гелію через структуру підкладки, що сприяє появі локалізованого заряду над плівкою гелію. Результати порівнюються з даними стосовно автолокалізації квазиодновимірних електронів у паровій фазі над гелієм.

The conductivity of surface electrons over liquid-helium film covering the structured silicon substrate containing a regular system of micropores is investigated experimentally within the temperature range T = 1.5–2.7 K. As found, the conductivity decreases sharply at T ≥ 2.5 K that can be explained by the formation of autolocalized polaron state of electron over the helium film. To check the hypothesis on the formation of the polaron state of surface electron in dense helium vapour, a theoretical calculation of free energy of the polaron is performed. As shown, the free energy minimum occurs when the temperature rises to a critical value corresponding to the formation of polaron and close to the temperature of the sharp decrease of conductivity observed experimentally. The calculation predicts the dependence of the critical temperature on the parameters of the effective potential acting within the plane of the surface of helium and associated with a distortion of the helium surface due to the structure of the substrate, which contributes to the appearance of localized charge on the helium film. The data of this investigation are compared with previously obtained results on autolocalization of surface electrons in quasi-1D-system.