غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد في ميكانيكا الكم

يحدث غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد عندما تنحصر الإلكترونات في واجهة بين مادتين مختلفتين، مثل الواجهة بين طبقة عازلة رقيقة من السيليكون وثاني أكسيد السيليكون أو الواجهة بين (GaAs) و (AlGaAs).

ما هو غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد

غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG) هو نموذج علمي في فيزياء الحالة الصلبة، حيث إنه غاز إلكترون يتحرك بحرية في بعدين، ولكنه محصور بإحكام في البعد الثالث، ويؤدي هذا الحصر المحكم إلى مستويات طاقة كمية للحركة في الاتجاه الثالث، والتي يمكن بعد ذلك تجاهلها في معظم المشكلات.

وهكذا تبدو الإلكترونات وكأنها ورقة ثنائية الأبعاد مدمجة في عالم ثلاثي الأبعاد، إذ يسمى التركيب المماثل للثقوب بغاز الثقب ثنائي الأبعاد (2DHG)، وهذه الأنظمة لها العديد من الخصائص المفيدة والمثيرة للاهتمام.

نظرية الإدراك في غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد

في الترانزستورات، يكون غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد موجودًا فقط عندما يكون الترانزستور في وضع الانعكاس، ويوجد مباشرة أسفل أكسيد البوابة، وهنا في هذه الصورة، يوجد مخطط حافة النطاق لـ (HEMT) الأساسي، حيث تحدد حافة نطاق التوصيل (E C) ومستوى فيرمي (E F) كثافة الإلكترون في غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد، حيث تتشكل المستويات الكمية في البئر المثلث في المنطقة الصفراء ومن الناحية المثالية يقع واحد منها فقط تحت (E F).

في هذه الصورة تم العثور على معظم غازات الإلكترون ثنائي الأبعاد في هياكل تشبه الترانزستور مصنوعة من أشباه الموصلات، حيث أن غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد الأكثر شيوعًا هي طبقة الإلكترونات الموجودة في ترانزستورات تأثير المجال من أكسيد المعادن وأشباه الموصلات.

عندما يكون الترانزستور في وضع الانعكاس، فإن الإلكترونات الموجودة أسفل أكسيد البوابة محصورة في واجهة أكسيد أشباه الموصلات، وبالتالي تحتل مستويات طاقة محددة جيدًا، وبالنسبة للآبار المحتملة الرقيقة بدرجة كافية ودرجات الحرارة ليست عالية جدًا، يتم شغل المستوى الأدنى فقط، وبالتالي يمكن تجاهل حركة الإلكترونات المتعامدة على الواجهة، ومع ذلك، فإن الإلكترون حر في التحرك بالتوازي مع الواجهة، وكذلك شبه ثنائي الأبعاد.

طرق هندسة غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد

• لهندسة غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد يوجد هناك عدة طرق، منها الترانزستورات كبيرة الحركة الإلكترونية (HEMTs) والآبار الكمومية المستطيلة، حيث ان (HEMTs)، هي ترانزستورات ذات تأثير ميداني تستعمل الوصلة غير المتجانسة بين مادتين من أشباه الموصلات لحبس  الإلكترونات في بئر كمي مثلثة.

• إذ تُظهر الإلكترونات المحصورة في (HEMTs) غير المتجانسة قدرة تنقل أعلى من تلك الموجودة في الترانزستورات، نظرًا لأن الجهاز السابق يستخدم قناة غير مملوءة عن قصد، وبالتالي يخفف التأثير الضار لتشتت الشوائب المؤين، ويمكن استخدام واجهتين متقاربتين متجاورتين لحصر الإلكترونات في بئر كم مستطيل، حيث يسمح الاختيار الدقيق للمواد وتركيبات السبائك بالتحكم في كثافات الحامل داخل غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد.

• يمكن أيضًا أن تقتصر الإلكترونات على سطح المادة، على سبيل المثال، سوف تطفو الإلكترونات الحرة على سطح الهيليوم السائل، وتكون حرة في التحرك على طول السطح، ولكنها تلتصق بالهيليوم، إذ تم إجراء بعض الأعمال المبكرة في غازات الإلكترون ثنائية الأبعاد، باستخدام هذا النظام، وإلى جانب الهيليوم السائل توجد أيضًا عوازل صلبة مثل العوازل الطوبولوجية تدعم الحالات الإلكترونية السطحية الموصلة.

• في الآونة الأخيرة، تم تحديث تقنية مواد صلبة رفيعة ذريًا، كالجرافين، وكذلك ثنائي كالكوجينيد المعادن مثل ثاني كبريتيد الموليبدينوم، حيث تكون الإلكترونات محبوسة بدرجة قصوى، ويمكن ضبط نظام الإلكترون ثنائي الأبعاد في الجرافين إما على (2DEG) أو (2DHG) غاز ثقب ثنائي الأبعاد، بواسطة التبويب أو المنشطات الكيميائية، وكان هذا موضوعًا للبحث الحالي بسبب التطبيقات المتنوعة بعض الموجودة ولكن المتوخاة في الغالب من الجرافين.

• وفي فئة منفصلة من الهياكل غير المتجانسة التي يمكن أن تستضيف (2DEGs) هي أكاسيد، وعلى الرغم من أن كلا جانبي البنية غير المتجانسة عبارة عن عوازل، إلا أن (2DEG) في الواجهة قد تنشأ حتى بدون تعاطي المنشطات، وهو النهج المعتاد في أشباه الموصلات.

• المثال النموذجي هو بنية ZnO / ZnMgO غير المتجانسة، ويمكن العثور على المزيد من الأمثلة في مراجعة حديثة، بما في ذلك اكتشاف ملحوظ ل2DEG في واجهة LaAlO 3 / SrTiO 3، والتي تصبح فائقة التوصيل في درجات حرارة منخفضة، ولا يزال أصل هذا (2DEG) غير معروف، ولكنه قد يكون مشابهًا لتعديل المنشطات في أشباه الموصلات، حيث تعمل شواغر الأكسجين التي يسببها المجال الكهربائي كمشبات.

هناك أمثلة على المزيد من فيزياء (2DEG)، إذ تم مؤخرًا إثبات التحكم الكامل في استقطاب الدوران 2DEG، ومن المحتمل أن يكون هذا وثيق الصلة بتكنولوجيا المعلومات الكمومي، وتم تبلور واغنر في المجال المغناطيسي، حيث تم اكتشاف اهتزازات المقاومة المغناطيسية التي يسببها الميكروويف بواسطة العالم ماني وآخرون، إذ أن احتمال وجود أشباه جسيمات غير أبيلية في تأثير هول الكمي الكسري عند عامل الملء 5/2.