Ученые измерили свойства фононов на границе раздела кристаллов
Фононы описали еще в прошлом веке, а существование фотонных мод предсказали несколько десятилетий назад. Но в реальности их не наблюдали — моды находятся в ограниченном слое толщиной в несколько атомов.
Для их исследования одновременно требуется нанометровое пространственное разрешение, разрешение по энергии в миллиэлектронвольтах и сверхвысокая чувствительность детектора; для дальнейшего измерения их дисперсионной зависимости и связанных с ней свойств также необходимо разрешение по импульсу. Ни один из традиционных спектроскопических методов не удовлетворяет этим строгим требованиям.
Что было сделано? Ученые разработали метод спектроскопии потери энергии электронов на основе сканирующего просвечивающего электронного микроскопа.
Почему это важно? Этот метод обеспечивает высокое пространственное, энергетическое и импульсное разрешение при высокой способности обнаружения частиц, что позволяет проводить измерения дисперсии фононов в наномасштабе. Метод лишь на ~15% хуже дифракционного предела — конечного теоретического предела, установленного принципом неопределенности.
Фононы — это квазичастицы, описывающие колебания решетки в твердых телах. Они определяют различные свойства твердых тел — теплопроводность, подвижность электронов и сверхпроводимость.
Авторы использовали в своей работе гетероповерхность, состоящую из кубического нитрида бора и алмаза. Сначала они измерили локальную плотность состояний фононов на атомном уровне и успешно наблюдали фононные моды, локализованные на границе раздела, и фононные моды, изолированные от границы раздела. Также они измерили дисперсионное соотношение интерфейсных мод с тщательно сбалансированным пространственным и импульсным разрешением.
Результаты. Экспериментальные наблюдения хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Ожидается, что наблюдаемые интерфейсные моды существенно повлияют на теплопроводность через границу раздела и подвижность носителей двумерного электронного газа на границе раздела.
Для чего это можно использовать? Измерение локальной дисперсии фононов полезно для изучения не только топологических фононных мод, но и для исследования интерфейсной сверхпроводимости.
Статья опубликована в журнале Nature.