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, достаточно 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 (4 элементарные ячейки), может образовываться двумерный электронный газ с высокой подвижностью носителей, был обнаружен восемь лет назад. В последующих опытах при низких температурах граница раздела LaAlO3/SrTiO3 становилась даже сверхпроводящей, о чём мы уже писали.

Существует две довольно убедительные теории возникновения проводимости на границе LaAlO3 и SrTiO3. Первая из них 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.

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 сегодняшний день свидетельством в её пользу.