В классической физике электроны в проводнике (или полупроводнике) рассматриваются как идеальный газ. Несмотря на то, что электроны одноименно заряжены, они вовсе не выталкиваются из проводника, так как заряд электронов компенсируется зарядом ионов решетки противоположного знака. Эта компенсация оправдывает их рассмотрение как газа слабо взаимодействующих частиц. В квантовой физике, компенсация классического кулоновского отталкивания ионной решеткой не достаточна для описания свойств системы электронов как идеального газа. Волновые функции электронов перекрываются, и электроны взаимодействуют квантовым образом, описываемым энергией обмена и корреляции. Чем ниже размерность системы, тем важнее вклад электрон-электронных взаимодействий. В двумерной системе электронов низкой плотности энергия взаимодействия (потенциальная) может в десятки раз превосходить кинетическую (Фермиевскую) энергию. Такая система проявляет свойства, резко отличающиеся от свойств газа электронов и, в первом приближении, описывается в терминах теории Ферми-жидкости (FL). В теории FL Ландау для описания взаимодействующей электронной системы вводятся квазичастицы – квазиэлектроны, которые слабо взаимодействуют между собой. Квазичастицы в FL имеют такой же заряд и такой же импульс, как и свободные электроны в твердом теле, поэтому их для простоты называют “электронами”. Однако, их другие параметры резко отличны от параметров свободных электронов.
Одной из центральных проблем современной физики конденсированного состояния является фазовая диаграмма и свойства электронной системы в присутствии сильных межчастичных взаимодействий. Удивительная по красоте физика сильных корреляций проявляется тогда, когда Кулоновская энергия взаимодействия намного превышает кинетическую (Фермиевскую) энергию. Теоретическое описание таких систем ещё далеко от “предсказательного уровня”, крайне мало известно о свойствах сильных межэлектронных корреляций, и об основных состояниях неупорядоченных двумерных (2D) систем.
Даже обычная 2D Ферми жидкость электронов имеет нетривиальные и красивые свойства, не вполне поддающиеся теоретическому описанию. По мере увеличения взаимодействия, электронная сжимаемость изменяет знак, эффективная масса и g-фактор Ланде “электронов” увеличиваются в разы, а спиновая восприимчивость (Паули) резко возрастает. Таким образом, “электроны” в сильно-взаимодействующей двумерной системе тяжелеют и стремятся к спонтанному намагничиванию. Эти тенденции в пределе сильных взаимодействий приводят к возникновению новых состояний электронной материи. Можно ожидать, что фазовая диаграмма сильно-взаимодействующих 2D систем необычайно богата и содержит множество электронных фаз между предельными случаями обычной парамагнитной Ферми-жидкости FL (при больших плотностях), Вигнеровского кристалла электронов (низкие плотности, малый беспорядок), и антиферромагнитного состояния локализованных электронов (сильный беспорядок). В частности, нами недавно обнаружено спонтанное возникновение ферромагнитных спин-поляризованных капель (FSD), сосуществующих с Ферми жидкостью. Сильно-взаимодействующая двумерная система проявляет металлического типа проводимость – поведение, резко отличающееся от свойств 2D электронного газа. В специально сконструированной двумерной системе с равным количеством электронов и дырок возможно их спаривание в энергетически более выгодное состояние экситонного диэлектрика.
Если двумерную взаимодействующую систему электронов поместить во внешнее квантующее магнитном поле, то в ней возникает множество новых фаз – Холловский диэлектрик, состояния с дробно квантованным Холловским сопротивлением, чередующиеся состояния изолятора и проводника с квантованным Холловским сопротивлением, композитные состояния при полуцелых заполнениях уровней Ландау, и др. В этих условиях система лучше всего описывается как газ композитных фермионов – квазичастиц, состоящих из электронов с присоединенными квантами магнитного потока.
Эти удивительные свойства низкоразмерных систем с сильными межчастичными взаимодействиями изучаются в Лаборатории СКЭС.