Разработка технологии выращивания многослойных структур с атомарно резкой границей раздела (ГР) слоев (например, путем молекулярно-лучевой эпитаксии) позволяет создавать искусственные материалы с новыми, зачастую весьма необычными свойствами.

Особенно большие надежды здесь возлагают на оксиды. Например, хотя SrTiO₃ и LaAlO₃ являются диэлектриками, ГР в гетероструктуре SrTiO₃/LaAlO₃/SrTiO₃ (см. рис.) оказывается проводящей [1].

Модель гетероструктуры SrTiO₃/LaAlO₃/SrTiO₃. Белые, оранжевые, желтые, большие голубые и маленькие темно-синие кружки – атомы O, La, Al, Sr и Ti, соответственно

Более того, на ГР двух диэлектриков была обнаружена даже сверхпроводимость [2]. В работе [3] экспериментально и теоретически исследованы характеристики ГР между такими кардинально различными по своим физическим свойствам веществами как высокотемпературный сверхпроводник (Y,Ca)Ba₂Cu₃O₇ и манганит La_2/3Ca_1/3MnO₃ с колоссальным магнитосопротивлением.

Оказалось, что вследствие переноса заряда через ГР d(3z²-r²) – орбитали слоев CuO₂ (которые в ВТСП полностью заполнены и не участвуют в сверхпроводимости) становятся заполнены лишь частично, то есть на них появляются дырки. Такая «орбитальная реконструкция» отличается от обычной «электронной реконструкции», которая имеет место на ГР других оксидных соединений и заключается в том, что распределение электронной плотности вблизи ГР становится не таким, как в объеме [4].

Этот эффект может использоваться для допирования диэлектрических слоев «нехимическим» методом – без эффектов разупорядочения, которые неизбежно привносят с собой неизовалентные примесные атомы. Здесь просматривается ряд важных практических приложений – например, магнитные туннельные контакты [5] и «оксидная электроника» [6].

Несмотря на большую исследовательскую активность последних лет, наши знания об электрических и магнитных свойствах оксидных ГР пока весьма ограничены, и здесь можно ожидать сюрпризов как для фундаментальной, так и для прикладной науки. Ведь число комбинаций различных оксидных материалов (ферромагнетики, антиферромагнетики, сверхпроводники, сегнетоэлектрики и др.) очень велико. Наверное, простым «экспериментальным перебором» здесь не обойтись, и нужно привлекать теоретические расчеты. Не исключено, что в скором времени мы услышим об открытии новых экзотических квазидвумерных состояний (зарядовых, спиновых и пр.), стабилизированных на оксидных ГР.

Автор – Л. Опенов

• 1. M.Huijben et al., Nature Mater. 5, 556 (2006)
• 2. N.Reyren et al., Science 317, 1196 (2007)
• 3. J.Chakhalian et al., Science 318, 1114 (2007)
• 4. S.Okamoto, A.Millis, Nature 428, 630 (2004)
• 5. H.Yamada et al., Science 305, 646 (2004)
• 6. R.Ramirez, Science 315, 1377 (2007)