Одномерная электронная жидкость на краю двумерной электронной системы в режиме квантового эффекта Холла (1097785), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Этот интерес, исходно обусловленный исследованиями фундаментальныхсвойств двумерных систем в квантующих магнитных полях, даже возрос в настоящее время в связи с исследованием систем с нетривиальной топологией, так как режим квантового эффекта Холла является одной из возможных реализаций топологического изолятора.Кроме того, краевые состояния оказались удобным модельным объектом для исследованияфундаментальных физических свойств одномерной заряженной электронной жидкости. Вчастности, краевые состояния в режиме дробного квантового эффекта Холла позволяютисследовать свойства Латтинжеровской хиральной (направленной) одномерной электронной жидкости.
При помощи краевых состояний в режимах целочисленного и дробногоквантового эффекта Холла создаются электронные аналоги оптических интерференционных схем, экспериментальное исследование которых позволяет как изучать эффектыэлектрон-электронного взаимодействия в одномерной электронной жидкости, так и, возможно, выделить проявления анионной (дробной) статистики квазичастиц.4Научная новизна работыВ результате проведённых экспериментальных исследований был обнаружен ряд новых,не наблюдавшихся ранее результатов:1. Создана экспериментальная методика, позволяющую напрямую исследовать транспорт заряда между со-направленными краевыми состояниями, возникающими накраю двумерной системы в режиме квантового эффекта Холла, в условиях значительного разбаланса электрохимпотенциалов краевых состояний.2.
Проведены локальные исследования энергетических щелей в полосках несжимаемойэлектронной жидкости на краю образца при локальных факторах 1 и 2. Продемонстрировано экспериментально соответствие этих щелей щелям объемного спектра(циклотронной и обменно-увеличенной зеемановской с g−фактором g = 7 для чётных и нечётных локальных факторов заполнения соответственно).3.
Экспериментально продемонстрирована одновременная реконструкция краевого иобъёмного спектров, вызванная сильным спин-орбитальным взаимодействием длядвух нижних факторов заполнения ν = 1 и ν = 2 для двумерного электронного газав Inx Ga1−x As квантовой яме с высоким содержанием индия x = 0.75.44. При исследовании транспорта между со-направленными краевыми состояниями сразличной спиновой ориентацией, выделен вклад процессов одновременного переворота спина электрона и спина ядра, приводящих к возникновению области динамически поляризованных ядерных спинов.
Экспериментально показано, что релаксация,возникающая в силу обратного влияния поля Оверхаузера на спиновое расщепление вспектре электронной подсистемы, характеризуется двумя характерными временами- временем локального установления полной спиновой поляризации ядер в областитранспорта между краевыми состояниями и временем установления стабильной области поляризованных ядерных спинов вне области транспорта (в силу конкуренциидиффузии ядерного спина и релаксации ядерного спина).5. Проведены исследования транспорта на краю двуслойных электронных систем в режиме целочисленного квантового эффекта Холла. При измерениях транспорта поперек края образца установлена связь между щелями в краевом и объемном спектрахтаких систем.
Показано, что модификация объёмного спектра позволяет управлятьтопологией краевых состояний, например, создавать структуры нетривиальной топологии — топологические дефекты.6. В режиме дробного квантового эффекта Холла исследован транспорт поперек отдельной несжимаемой полосы, находящейся при дробном локальном факторе заполнения 1/3. Обнаружены степенные вольт-амперные характеристики, отражающиеповедение, характерное для туннельной плотности состояний хиральной латтинжеровской жидкости. В условиях близкого расположения соседней несжимаемой области, показано влияние этой области на процесс установления равновесия на краюобразца на больших масштабах длин.
Исследование процессов установления равновесия для сложных дробных факторов заполнения 2/3, 4/3 и 5/3 свидетельствуетв пользу существования сложной структуры коллективных возбуждений у краевнесжимаемой области при этих факторах заполнения в соответствии с предсказаниями эффективной теории края.7. Сравнение направления переноса заряда и энергии вдоль края двумерной системы врежиме квантового эффекта Холла продемонстрировало перенос энергии навстречудрейфу электронов для факторов заполнения 1 и 1/3 в режиме сильной неравновесности на краю.8. Экспериментально реализованы квантовые интерферометры (квази-Фабри-Перо иМаха-Цендера) нового типа, в которых интерференционные траектории образованысо-направленными краевыми состояниями на одном и том же краю образца.
Исследована и проанализирована интерференционная картина в режимах целочисленногои дробного квантового эффекта Холла для этих интерферометров нового типа.Обнаруженные эффекты были всесторонне изучены, определены необходимые и достаточные условия для их проявления.Новизну и значимость полученных результатов подтверждает их опубликование в ведущих отечественных и международных журналах, таких как Письма в ЖЭТФ, PhysicalReview Letters, Physical Review B, Europhysics Letters, Успехи Физических Наук, и др.55Практическая значимость работыПолученные экспериментально результаты важны для понимания эффектов электронэлектронного взаимодействия в условиях систем пониженной размерности, они уже используются для развития существующих и разработки перспективных теоретических подходов. Кроме того, развитые в данной работе методики могут быть использованы для создания модельных систем для экспериментального исследования фундаментальных физических свойств одномерной заряженной направленной электронной жидкости.6Основные результаты, выносимые на защиту1.
Основой всех экспериментальных результатов, представленных в данной работе, является использование уникальной экспериментальной методики, позволяющей напрямую исследовать транспорт заряда между со-направленными краевыми состояниями, возникающими на краю двумерной системы в режиме квантового эффектаХолла (КЭХ). В такой постановке эксперимента взаимодействующие краевые состояния, вообще говоря, характеризуются разными квантовыми числами, что принципиально отличает нашу методику от стандартного квантового точечного контакта,где приводятся во взаимодействие противоположно направленные, но идентичныекраевые состояния. Другой уникальной особенностью данной методики является возможность проводить эксперимент в условиях сильной неравновесности между краевыми состояниями. Предложена модификация формализма Бюттикера-Ландауерапутем введения локальной характеристики транспорта, позволяющая количественноописывать транспорт поперек несжимаемой полосы в условиях сильной неравновесности.2.
При исследовании транспорта между со-направленными краевыми состояниями сразличной спиновой ориентацией, мы обнаружили релаксацию на макроскопическихвременах, связанную c образованием области динамически поляризованных ядерныхспинов (при одновременном перевороте спина электрона и ядра).
Экспериментальнопоказано, что релаксация, возникающая в силу обратного влияния поля Оверхаузера на спиновое расщепление в спектре электронной подсистемы, характеризуетсядвумя характерными временами - временем локального установления полной спиновой поляризации ядер в области транспорта между краевыми состояниями и временем установления стабильной области поляризованных ядерных спинов вне областитранспорта (в силу конкуренции диффузии ядерного спина и релаксации ядерногоспина).3. Наша методика позволила провести локальные исследования энергетических щелей вполосках несжимаемой электронной жидкости на краю образца в режиме КЭХ.
Кроме того, образцы, разработанные нами для исследования транспорта между краевыми состояниями, позволяют одновременно применить и стандартные методы ёмкостной спектроскопии для анализа спектра в глубине образца, что позволяет сравнитьщели в краевом и объёмном спектрах в режиме КЭХ.4. Для однослойной двумерной электронной системы, реализованной в гетеропереходеGaAs/AlGaAs продемонстрировано экспериментально соответствие щелей в краевоми объёмном спектрах КЭХ (циклотронной и зеемановской с обменно-увеличенным6значением g−фактора g = 7 для чётных и нечётных локальных факторов заполнения соответственно), что служит доказательством плавности краевого потенциалав режиме КЭХ. Из экспериментов на разных по качеству и концентрации образцахпоказано, что измеренная в нашей методике щель в краевом спектре является щельюподвижности и проанализирована её зависимость от компоненты магнитного поля вплоскости двумерной системы.5.
Экспериментально продемонстрирована одновременная реконструкция краевого иобъёмного спектров, вызванная сильным спин-орбитальным взаимодействием длядвух нижних факторов заполнения ν = 1 и ν = 2 для двумерного электронного газав Inx Ga1−x As квантовой яме с высоким содержанием индия x = 0.75. Реконструкцияспектра имеет разный сценарий при этих факторах заполнения: область реконструкции спектра характеризуется занулением энергетической щели для фактора заполнения ν = 2, в то время как при ν = 1 реконструкция идёт через сосуществование двухфаз КЭХ, соответствующих ν = 1 состоянию с различными спиновыми проекциями.Анализ показывает сильное влияние многочастичных эффектов на реконструкциюпри ν = 1.6.
Проведены исследования объёмного спектра двуслойных электронных систем методом емкостной спектроскопии в режиме целочисленного квантового эффекта Холла.Объемные спектры таких систем оказались достаточно сложными: показано схлопывание спектральных щелей при некоторых факторах заполнения, возникновениеновых, гибридных, щелей при факторах заполнения ν = 1, 2, вызванное перестройкой волновых функций подзон в нормальном магнитном поле, и показано возникновение гибридных щелей при факторах заполнения ν > 2 при введении компонентымагнитного поля, параллельной плоскости двуслойной системы.7. Проведены исследования транспорта на краю двуслойных электронных систем врежиме целочисленного квантового эффекта Холла. Показано, что модификацияобъёмного спектра позволяет управлять топологией краевых состояний, например,создавать структуры нетривиальной топологии — топологические дефекты. Экспериментально продемонстрировано формирование топологических дефектов в структуре краевых состояний двуслойной электронной системы в режиме квантового эффекта Холла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
