Эксперименты физиков из Швейцарии и Бельгии дали ответ на вопрос о том, как граница раздела двух обычных диэлектриков с кристаллической структурой перовскита становится проводящей.

Для исследования были выбраны алюминат лантана LaAlO₃ и титанат стронция SrTiO₃, довольно хорошо согласующиеся друг с другом по величине постоянной решётки, равной 3,789 и 3,905 Å. Тот факт, что в области их контакта при толщине слоя LaAlO₃, превышающей 1,6 нм (четыре элементарные ячейки), может образовываться двумерный электронный газ с высокой подвижностью носителей, был установлен восемь лет назад. В последующих опытах при низких температурах граница раздела LaAlO₃/SrTiO₃ становилась даже сверхпроводящей.

Есть две довольно убедительные теории возникновения проводимости на границе LaAlO₃ и SrTiO₃.

• Первая опирается на собственные характеристики материалов, которые, если рассмотреть их структуру, можно представить в виде чередующихся слоёв (LaO)⁺/(AlO₂)^– и (SrO)⁰/(TiO₂)⁰. Как видим, у алюмината отдельные слои оказываются заряженными, а у титаната — нейтральными. После совмещения двух диэлектриков носители заряда, как рассуждают специалисты,

должны естественным образом «подтягиваться» к границе раздела в количестве 0,5 элементарного заряда в пересчёте на одну элементарную ячейку, что и делает контакт проводящим.

Во второй модели причиной появления двумерного электронного газа считается образование дефектов — кислородных вакансий — в подложке из SrTiO₃ во время нанесения LaAlO₃. Каждая из этих вакансий становится поставщиком двух электронов.

Доказать, что одна из этих моделей корректна, а другая — нет, было очень сложно, поскольку на результаты экспериментов влияло то, как подготавливался образец. Сравнивая разные данные, учёные в некоторых случаях отдавали предпочтение первому механизму, в других — второму, а иногда и какой-то их комбинации.

Рис. 1. Структуры алюмината лантана и титаната стронция (иллюстрация из журнала Nature Materials).

Свои опыты швейцарско-бельгийская группа проводила по оригинальной схеме, в которой слой LaAlO₃, так сказать, разбавлялся SrTiO₃. Как выяснилось, в таких условиях проводимость на границе сохраняется, причём необходимая для этого толщина слоя обратно пропорциональна содержанию алюмината лантана в твёрдом растворе. Подобная зависимость полностью соответствует предсказаниям первой модели и служит самым надёжным на сегодня свидетельством в её пользу.

Отчёт об экспериментах с необычными диэлектриками опубликован в журнале Nature Communications.