Одномерная электронная жидкость на краю двумерной электронной системы в режиме квантового эффекта Холла (1097785), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Спин-поляризованная ядерная подсистема влияет через поле Оверхаузера на спиновое (Зеемановское) расщепление в спектре электронной подсистемы, что приводит к релаксации транспортных характеристик намакроскопических временах.В данной главе мы применили геометрию квази-Корбино для изучения переноса электронов между спин-расщеплёнными краевыми состояниями в режиме сильного разбалансамежду краевыми состояниями (7). В условиях, когда разность электрохимических потенциалов между краевыми состояниями превышает спектральную щель мы обнаружилисильный гистерезис вольт-амперных характеристик, происходящий из-за медленных релаксационных процессов.
В простейшем случае двух краевых состояний (объёмный фактор заполнения равен ν = 2) мы нашли, что релаксация описывается двумя разными13характерными временами - временем локального установления полной спиновой поляризации ядер в области транспорта между краевыми состояниями и временем установлениястабильной области поляризованных ядерных спинов вне области транспорта (в силу конкуренции диффузии ядерного спина и релаксации ядерного спина).Глава 4 посвящена вопросам реконструкции объёмного и краевого спектров в двуслойных электронных системах и связи между ними.Как известно, связь между краевым и объёмным спектром в режиме квантового эффекта Холла позволяет отнести такие системы к широко обсуждаемому классу топологических изоляторов.
Мы показали, что модификация объёмного спектра (8,9,10,11) вызывает модификацию краевого (12), что, например, позволяет управлять топологией краевых состояний создавая структуры нетривиальной топологии — топологические дефекты(13,14).Раздел 4.1 посвящён вопросам реконструкции объёмного спектра в двуслойных электронных системах с сильной туннельной связью между слоями. Объемные спектры такихсистем являются достаточно сложными (8,9,10): при исследованиях методом емкостнойспектроскопии показано схлопывание спектральных щелей при некоторых факторах заполнения (8,9), открытие щелей в наклонном магнитном поле (10) в силу образованияобщих подзон (8).Для однослойной электронной системы, созданной, например, в гетеропереходе GaAs/AlGaAs,энергетический спектр представляет собой обычную лестницу уровней Ландау. В двуслойном режиме, спектр становится гораздо более сложным.
В частности, в разбалансированных электронных системах каждый электрон принадлежит конкретному слою, что позволяет ввести новое квантовое число - индекс слоя, либо, иначе, изоспин, принимающийзначения ±1/2 для верхнего/нижнего слоя соответственно. Каждой проекции изоспинасоответствует своя лестница уровней Ландау.В квантующих магнитных полях при общем факторе заполнения 1 или 2, а так жедля сбалансированных систем при любых факторах заполнения, ситуация иная. Каждыйэлектрон имеет существенно ненулевую волновую функцию в обеих частях ямы, и, соответственно, находится в смешанном изоспиновом состоянии.
Энергетический спектр представляет собой единую лестницу уровней Ландау с дополнительным (к циклотронному испиновому) симметрично-антисимметричным расщеплением ∆SAS (8,9). Изоспиновые индексы разных слоёв можно смешать и в разбалансированной системе при факторах заполнения больших 2, введя компоненту магнитного поля, параллельную плоскости системы.Такая компонента не только увеличивает Зеемановское расщепление по сравнению с другими энергетическими масштабами, но и вызывает образование общих подзон (смешанноеизоспиновое состояние) (10).Вблизи баланса (равенства концентраций двух слоёв) можно исследовать фазовые переходы в двуслойной системе [23]. Поскольку результаты работы [23] не входят в составдиссертации, мы ограничимся лишь некоторыми замечаниями, необходимыми для дальнейшего изложения экспериментов по краевому транспорту.В простейше случае слабого кулоновского межслоевого взаимодействия именно конкуренция между спиновым расщеплением ∆s и симметрично-антисимметричным ∆SAS определяет объёмные свойства двуслойных систем при общем факторе заполнения в объёмеν = 2.
В слабых магнитных полях зеемановское расщепление минимально и два нижнихэнергетических подуровня расщеплены по спину, так что система при ν = 2 находится в спин-неполяризованном (спин-синглетном) состоянии. При увеличении магнитногополя происходит перестройка спектра: в больших полях ∆SAS является минимальным14энергетическим масштабом, так что два заполненных уровня разделены симметричноантисимметричным расщеплением и характеризуются одной проекцией спина. Принятоговорить, что двуслойная система находится в ферромагнитном состоянии. Такой переходспин-синглет — спиновый ферромагнетик можно вызвать так же введением компонентымагнитного поля в плоскости двуслойной системы при фиксированной нормальной компоненте.Такой фазовый переход был экспериментально исследован транспортными методами вработе [23] для объёмного спектра и результаты находятся в хорошем согласии с теоретическими оценками [24], предполагающими фазовый переход из спин-синглетной в новую,наклонную антиферромагнитную фазу.
В этой фазе электронные спины в двух слояхотклонены от направления магнитного поля и создают антиферромагнитный полядок вплоскости двуслойной системы [24].Раздел 4.2 посвящён сравнению сценариев фазового перехода в двуслойной системе врежиме целочисленного КЭХ и в однослойной системе в режиме дробного КЭХ.Описанный в предыдущем разделе этой главы фазовый переход в двуслойной системе,при котором происхордит смена основного состояния, связанная со сменой спиновой либоизоспиновой поляризации - далеко не единственный пример [25, 23, 26].
Имеет смысл провести сравнение двух типов фазовых переходов: (i) переход [23] из спин-неполяризованногов наклонной антиферромагнитное состояние при общем факторе заполнения ν = 2; (ii)переход [26] между спин-неполяризовапнным и полностью спин поляризованным основным состоянием однослойной системы в режиме дробного КЭХ при факторе заполненияν = 2/3. В обоих случаях существенную роль играют электронные корреляции (межслоевые и внутрислоевые, соответственно), что позволяет объединить эти переходы в единый класс. Кроме того, дробное состояние 2/3 в рамках подхода композитных фермионовможет быть представлено как целочисленное для фактора заполнения 2 в однослойнойсистеме, так что переход в двуслойной системе отличается прежде всего наличием дополнительной, изоспиновой, степени свободы. Кроме того, оба перехода являются результатомконкуренции основных состояний, каждое из которых существует при нулевой температуре, т.е.
оба перехода могут быть отнесены к квантовым фазовым переходам.Мы исследовали (11) характер смены основного состояния из спин-неполяризованнойв спин-упорядоченную фазу при факторах заполнения 2/3 в однослойной двумерной системе и факторе заполнения 2 в двойной квантовой яме.
Мы обнаружили два различных сценаприя фазового перехода в этих случаях. Для перехода в однослойной системемы предложили качественное объяснение, основанное на эволюции доменной структурывблизи точки перехода. Природа второго сценария, относящегося к фазовому переходу вдвуслойной системе, остаётся неясной. Полученные в данном разделе данные активно использовались в других частях диссертации при исследовании краевого транспорта в такихсистемах.Раздел 4.3 описывает исследования транспорта на краю двуслойных электронных систем в режиме целочисленного КЭХ при перестройке объёмного спектра.
Ситуация накраю двуслойной системы представляется даже более сложной, чем в объёме. Систематика(порядок следования) краевых состояний определяется объёмным спектром. Это означает, что при фазовом переходе в объёме, связанном со сменой систематики спектра, должна смениться систематика краевых состояний. При измерениях транспорта поперек краяобразца подтверждена (12) связь между краевыми и объемными спектрами. Электронэлектронное взаимодействие делает эту связь является нетривиальной: экспериментальнопродемонстрировано (12) исчезновение несжимаемой полосы, соответствующей локально-15му фактору заполнения 1 при объемном фазовом переходе в так называемую наклоннуюантиферромагнитную фазу.Раздел 4.4 описывает возможность управлять топологией краевых состояний, например, создавать структуры нетривиальной топологии — топологические дефекты, при помощи модификации объёмного спектра.Превоначально существование топологических дефектов было предсказано для спинрасщеплённых краевых состояний в однослойной системе, когда разбаланс электрохимпотенциалов краевых состояний превышает спектральную щель [27, 28].
Предполагалось,что в силу электрон-электронного взаимодействия происходит перестройка краевого спектра и краевые состояния локально меняются местами, пересекаясь как минимум в двухточках [27, 28]. такие пересечения и были названы дефектами в топологической структурекраевых состояний, или топологическими дефектами.
Экспериментально не наблюдалосьникаких свидетельств в пользу существования таких дефектов для спин-расщеплённыхкраевых состояний, что, по всей видимости, связано с низкой предсказательной способностью приближения Хартри-Фока, использованного в оригинальных расчётах [27, 28].Однако, идея топологических дефектов сама по себе достаточно интересна, особенно всвязи с развиваемой в настоящее время тематикой топологических изоляторов (к классукоторых относится и режим квантового эффекта Холла)Для моделирования топологических дефектов можно попытаться использовать сложные перестройки объёмного спектра в двуслойных электронных системах, возникающиев силу наличия дополнительного квантового индекса - изоспина. При этом для моделирования топологических дефектов осмысленно использовать те режимы реконструкцииспектра, которые целиком описываются в рамках одночастичного приближения, в отличие от описанных в предыдущем разделе.В данной части работы мы экспериментально демонстрируем (13) создание и управление топологическими дефектами в двуслойной электронной системе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
