Одномерная электронная жидкость на краю двумерной электронной системы в режиме квантового эффекта Холла (1097785), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Штутгарт (Институт Макса Планка), Гамбург, Мюнхен,Регенсбург, Дуйсбург (Германия).10Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из Введения, 8 глав с 25 разделами и заключения. Работа изложенана 192 страницах, содержит 71 рисунок и список литературы из 169 наименований.11Структура и краткое содержание диссертацииВо Введении даётся общая характеристика работы, сформулированы цели, задачи работы, обоснована актуальность исследований, новизна полученных результатов. Приводитсяинформация об апробации результатов и даётся список публикаций основных результатовработы (30 статей в реферируемых научных журналах, все они входят в список ВАК).10Ниже в круглых скобках даны ссылки на "Список публикаций основных результатовдиссертационной работы в квадратных - на список цитированной литературы.Глава 1 посвящена рассмотрению использованных экспериментальных методов.Наряду с кратким описанием стандартных методик (получение двумерных систем, низких температур, сильных магнитных полей, методы магнетоемкостных исследований двумерных систем, разделы 1.1-1.3) подробно описана развитая нами методика исследованиятранспорта между краевыми состояниями в режиме сильного разбаланса электрохимпотенциалов этих состояний.
Частично эта методика описана в обзорах (1,2). Кроме того,образцы, разработанные нами для исследования транспорта между краевыми состояниями, позволяют одновременно применить и стандартные методы ёмкостной спектроскопиидля анализа спектра в глубине образца.В разделе 1.4 подробно описаны дизайн образцов, см. Рис.
2, и методика изучениятранспорта при помощи анализа вольт-амперных кривых (3,4,5). Данная методика позволяет напрямую исследовать транспорт заряда между со-направленными краевыми состояниями, возникающими на краю двумерной системы в режиме квантового эффектаХолла (КЭХ) (3). В такой постановке эксперимента взаимодействующие краевые состояния, вообще говоря, характеризуются разными квантовыми числами, что принципиальноотличает нашу методику от стандартного квантового точечного контакта, где приводятся во взаимодействие противоположно направленные, но идентичные краевые состояния.Другой уникальной особенностью данной методики является возможность проводить эксперимент в условиях сильной неравновесности между краевыми состояниями.Для получения вольт-амперных характеристик в большинстве случаев необходимо использовать 4-х точечную схему с задачей тока. Постоянный ток здается от калибраторамежду одним из внешних и одним из внутренних контактов на Рис.
2, а с оставшейся парыконтактов снимается разность потенциалов.Показана возможность достичь режима сильной неравновесности и исследовать энергетическую структуру края и систематику краевых состояний в транспортном эксперименте(3,5). Приведены примеры вольт-амперных кривых для различных экспериментальных ситуаций. Показаны возможности модификации предложенной методики для решения различных экспериментальных задач (19,25-30).Предложена (4) модификация формализма Бюттикера-Ландауера путем введения локальной характеристики транспорта, позволяющая количественно описывать транспортпоперек несжимаемой полосы в условиях сильной неравновесности.
Этот способ описаниякраевого транспорта широко (хотя часто неявно) использовался в последующих главах.Глава 2 посвящена описанию локальных исследований энергетической щели в полосках несжимаемой электронной жидкости на краю образца в режиме целочисленного КЭХпри чётных и нечётных факторах заполнения в однослойной двумерной системе на основе гетероперехода GaAs/AlGaAs (3,6). Продемонстрированное экспериментально соответствие этих щелей щелям объемного спектра (циклотронной (3) и обменно-увеличеннойзеемановской (6) для чётных и нечётных локальных факторов заполнения соответственно) служит доказательством мягкости краевого потенциала в реальных системах в режимеКЭХ.Систематика краевых состояний для однослойной двумерной системы возникает изсистематики объёмного спектра: каждый уровень Ландау расщеплён на два подуровня,разделённых Зеемановской (спиновой) щелью.
В итоге, для однослойной двумерной системы GaAs/AlGaAs, при факторе 2 под затвором исследуется транспорт между краевымисостояниями, разделёнными циклотронной щелью, при факторах 1 и 3 - спиновой.11Рис. 2: Геометрия квази-Корбино для исследования транспорта между со-направленнымикраевыми состояниями на одном и том же краю образца при сильном разбалансе. Двумерный электронный газ занимает область между двумя топологически независимымивнешней и внутренней границами образца.
Затвор специальной формы перенаправляетодно из краевых состояний (обозначенных толстыми линиями) между внешней и внутренней границами образца, так что в области затворной щели на внешней границе образца существуют 2 краевых состояния, электрохимпотенциалы которых задаются разными,соответственно внешними и внутренними, омическими контактами (обозначены цифрами). Стрелки указывают направление дрейфа электронов на краю. Краевые состоянияпоказаны для факторов заполнения 1 под затвором и 2 вне затвора.Раздел 2.1 посвящён исследованию энергетической щели в полосе несжимаемой электронной жидкости при факторе заполнения 2.
Пороговое (по напряжению) поведение положительной ветви вольт-амперной характеристики позволяет (по значению порога Vth )получить значение спектральной щели ∆ в полосе несжимаемой электронной жидкости,разделяющей краевые состояния в области щели затвора на внешней гнанице образца:∆ = eVth . Этот способ является гораздо менее трудоёмким по сравнению с объёмнымиспектральными методиками (анализ активационного транспорта или магнетоёмкости), и,что гораздо важнее, он даёт локальное значение спектральной щели на границе образца,которое невозможно получить стандартными методиками.Прежде чем использовать данный метод для исследования сложных эффектов, связанных, например, с перестройкой краевого спектра или исследования обменного увеличенияЗеемановской щели, метод должен быть опробован для достаточно стандартной задачи схорошо известным ответом. В качестве такой задачи подходит измерение хорошо исследованной циклотронной щели в двумерных системах на основе гетероперехода GaAs/AlGaAs(3).Тот факт, что для циклотронно-расщеплённых краевых состояний мы наблюдаем ожидаемое поведение измеренной щели, соответствующее хорошо известному циклотронномурасщеплению, говорит в пользу предложенной методики.Раздел 2.2 посвящён исследованию щели в несжимаемой полосе при факторе заполнения 1.В сильных магнитных полях, основное состояние двумерной электронной системы прифакторе заполнения 1 полностью спин-поляризовано, при этом элементарное возбуждениехарактеризуется переворотом спина [16].
Обменные эффекты приводят к значительномуувеличению энергии спин-флип возбуждения по сравнению с одночастичным Зееманов12ским расщеплением [16, 17, 18, 19]. Это обменное увеличение энергии возбуждения зависит [16] от волнового вектора возбуждения k. Хорошо известно, что в транспортныхэкспериментах исследуются возбуждения с k = ∞, в то время как оптические методыпозволяют [19] изучать возбуждения с различными волновыми векторами k.Ситуация становится ещё более сложной на краю двумерной системы. Как и в объёме,электронная жидкость спин-поляризована внутри несжимаемой полосы с локальным фактором заполнения 1.
В этом случае можно ожидать обменного усиления щели в спектревнутри полосы. С другой стороны, заранее неизвестно, как распространить результаты,полученные для объёма образца, на щель внутри несжимаемой полосы, в том числе из-забольшего бесполядка на краю и наличия скачка потенциала внутри несжимаемой полосы. Традиционные методы (активационные [17], магнетоемкостные [18] и оптические [19])неприменимы для локальных измерений внутри несжимаемой полосы.
Ситуация ещё более осложняется тем, что даже для объёма образца нет определённости о возможностисуществования сложных спиновых текстур (скирмионов).Из экспериментов на разных по качеству и концентрации образцах получено (6) значение обменно-увеличенного g-фактора g = 7 в полоске несжимаемой электронной жидкостипри локальном факторе заполнения 1. Анализ эксперимента показал, что измеряется втакой постановке щель подвижности на краю, аналогично активационным магнетотранспортным исследованиям [17] в объёме образца. По этой причине значительная зависимостьщели от компоненты магнитного поля в плоскости двумерной системы может быть вызвана как образованием спиновой текстуры (скирмиона) так и влиянием поля на уширениеуровней энергии.Глава 3 посвящена анализу транспорта между спин-расщеплёнными краевыми состояниями и исследованию возможности управления ядерными спинами.В ситуации, когда изучается транспорт между краевыми состояниями, образованными двумя нижними энергетическими уровнями (расщеплённый по спину нижний уровеньЛандау), перенос заряда должен сопровождаться переворотом спина.
Принципиально, переворот спина может быть осуществлён за счёт магнитной примеси, спин-орбитальноговзаимодействия или сверхтонкого взаимодействия. В сверхчистых гетероструктурах GaAs/AlGaAsмагнитные примеси приходится исключить, и остаются последние 2 вклада. Первоначально весь ток между спин-расщеплёнными краевыми состояниями приписывался спинорбитальному взаимодействию [20]. Несмотря на то, что спин-орбита действительно характерна для гетероструктур GaAs/AlGaAs, константы спин-орбитального взаимодействиявсё же невелики, что и приводит к большим длинам установления равновесия [20]. В этихусловиях становится существенным ещё один канал переворота спина: одновременныйпереворот спина электрона и спина ядра (флип-флоп), что приводит к возникновениюобласти динамически поляризованных ядер [21, 22].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
