Одномерная электронная жидкость на краю двумерной электронной системы в режиме квантового эффекта Холла (1097785), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Мыпоказали, что даже в этих простейших условиях может проявляться влияние края объёмного несжимаемого состояния. В такой постановке эксперимент теряет смысл для сложных состояний дробного КЭХ, типа 4/3 и 5/3, где на краю предполагается существованиеболее чем одной ветви коллективных возбуждений. С другой стороны, для этих факторов заполнения имеет смысл (22) прямо обратная постановка эксперимента: можно исследовать транспорт через несжимаемую полосу с локальным целочисленным факторомзаполнения 1, имея в области затворной щели дробное состояние с большим факторомзаполнения 4/3 или 5/3.
В таком случае, при разбалансах, превышающих зеемановскующель в целочисленной полосе, все особенности транспорта, отличные от хорошо известного целочисленного случая, будут связаны с краем объёмного несжимаемого дробногосостояния.При транспорте в режиме сильного разбаланса V > Vth мы изымаем электрон из краяэтого дробного состояния и переносим его поперёк края. Такое изъятие электрона длярежима дробного КЭХ сопровождается возбуждением коллективных мод, которые имеютсложную структуру [14] для этих факторов заполнения 5/3 и 4/3. Структура коллективных мод соответствует структуре основного состояния, которое конструируется для4/3 как квазиэлектронное лафлиновское состояние на фоне заполненного нижнего уровняЛандау, а для 5/3 как квазидырочное лафлиновское состояние на фоне двух заполненныхуровней Ландау.
Неполное равновесие может означать частичное возбуждение этих мод,т.е. подтверждать их сложную структуру. Интересно, что одновременно с публикациейработы (22), представляющей обсуждаемые здесь экспериментальные результаты, вышланезависимая от неё теоретическая работа [35], где такой эффект был предсказан теоретически (хотя основное внимание в работе [35] уделено состоянию 5/2, те же рассуждениясправедливы и для 4/3 и 5/3).Похожий эффеккт наблюдался (23) нами и при сравнении транспорта через несжимаемую полоску с локальным фактором заполнения 2/3 и транспортом через несжимаемуюполоску с локальным фактором 1/3 на образцах с широкой (5 мкм) щелью в затворе. Обнаруженная в эксперименте [21] разница наклонов в терминологии формализма БюттикераЛандауера соответствует избыточному переносу заряда между краевыми состояниями,механизм для которого в рамках этого формализма предложить затруднительно.
С другой стороны, фактор заполнения 2/3 выделен в данном эксперименте лишь тем, что длякраев полоски 2/3 ожидается сложная структура коллективных мод [14], взаимодействиемежду которыми, по всей видимости, и определяет "избыточное"уравновешивание.Таким образом, исследование процессов установления равновесия для разных дробных факторов заполнения 2/3, 4/3 и 5/3 свидетельствует в пользу существования сложной структуры коллективных возбуждений у краев отдельной несжимаемой области приэтих не-лафлиновских дробных факторах заполнения в соответствии с предсказаниямиэффективной теории края.Глава 7 посвящена переносу энергии на краю образца в режиме квантового эффектаХолла.22Благодаря подробному исследованию различных эффектов краевого транспорта в режимах целочисленного и дробного квантового эффекта Холла открывается возможностьиспользовать полученные знания для экспериментального моделирования различных физических эффектов в одномерной заряженной электронной жидкости.
Две задачи такогорода будут рассмотрены в этой и следующей главах.Как подробно описывалось выше, возбуждение коллективных мод существенно приисследованиях транспорта поперёк края. Обычно речь идёт о заряженных модах (краевых магнетоплазномах), распространяющихся вдоль края в направлении дрейфа электронов [36]. Однако, в последнее время широко обсуждаеся [37] возможность существованиянейтральной моды, распространяющейся навстречу направлению электронного дрейфа.Такая мода возникает [37] как результат взаимодействия нескольких заряженных мод.Она, в силу нейтральности, не может быть прямо обнаружена в транспортном эксперименте, но такая нейтральная мода должна переносить энергию, что позволяет выполнитьэкспериментальную проверку теоретических представлений [35, 37].В данной Главе мы использовали (24) реконструированный край двумерной электронной системы в режиме квантового эффекта Холла для изучения возможности существования нейтральной моды коллективных возбуждений на краю, распространяющейся навстречу направлению электронного дрейфа.
Новый дизайн образцов позволил нам независимо исследовать транспорт заряда и энергии вдоль края образца. Мы продемонстрировали перенос энергии навстречу дрейфу электронов для факторов заполнения 1 и 1/3 прибольших разбалансах электрохимпотенциалов краевых состояний. Реконструкция краябыла предсказана как результат влияния кулоновского взаимодействия на плавный краевой потенциал. Экспериментальным свидетельством в пользу такой реконструкции является наблюдение так называемой отрицательной плотности состояний на краях плато,соответствующего ν = 1, 1/3 режиму КЭХ при объёмных магнетоемкостных измерениях.Анализ эксперимента показывает, что нейтральная коллективная мода на краю, реконструированном взаимодействием, является основным кандидатом для объяснения экспериментального эффекта, причём именно режим сильного разбаланса открывает доступ кэффективному возбуждению и детектированию нейтральной моды.Глава 8 посвящена созданию и исследованию квантовых интерферометров нового типа (25-30), основанных на электронном транспорте между со-направленными краевымисостояниями.Раздел 8.1 содержит литературный обзор, в котором описан принцип работы электронных интерферометров в режиме КЭХ и дано изложение состояния исследований насегодняшний момент.Транспорт по краевым состояниям позволил реализовать электронные аналоги оптических интерферометров типа Маха-Цендера и Фабри-Перо, см, например, обзор [38].
В этиханалогах локальный контакт между краевыми состояниями играет роль полупрозрачногозеркала, т. к. в области контакта для отдельного электрона есть конечная вероятностькак остаться в исходном краевом состоянии, так и перейти в другое. Фазовый сдвиг между траекториями управляется с помощью эффекта Ааронова-Бома, малым изменениемвнешнего магнитного поля либо эффективной площади интерферометра. Данные приборыпринципиально отличаются от привычных интерферометров Ааронова-Бома, посколькуработают в квантующих магнитных полях — магнитное поле прежде всего задаёт геометрию интерференционного прибора.С первых работ основной целью исследований было изучение состояния дробного квантового эффекта Холла, в частности, заряда квазичастицы и статистики.
Действительно,23поскольку период осцилляций определятся эффектом Ааронова-Бома, условие периодичности можно записать как ∆(BS) = Φ0 , где Φ0 - квант магнитного потока. Можно надеяться, что при неизменной площади петли интерферометра S, сравнение периодов помагнитному полю при факторах заполнения 1 и 1/3 даст отношение квантов потока вцелочисленном и дробном состояниях КЭХ, т.е. заряд возбуждения в режиме КЭХ придробном факторе заполнения. Однако уже в первой экспериментальной работе [39], былопоказано что эффективная площадь петли интерферометра не совпадает с литографической и может зависеть от внешних параметров, что затрудняет сравнение периодов пополю с целью получения заряда элементарного возбуждения в режиме дробного КЭХ.Тем не менее, оказалось, что электрон-электронное взаимодействие приводит к интересным физическим эффектам даже в режиме целочисленного квантового эффекта Холла.
Простота интерференционной схемы в интерферометрах Маха-Цендера позволила детально исследовать процессы потери когерентности в режиме целочисленного КЭХ. Былопоказано, что даже малый разбаланс электрохимических потенциалов в квантовом точечном контакте подавляет интерференцию. Видность осцилляций немонотонно падает иобращается в ноль при разбалансах полядка 20-30 микроэВ. Были предложены различные теоретические механизмы для объяснения процессов потери когерентности в такихинтерферометрах, но полная теория процессов декогеренции, правильно описывающаязависимость от разбаланса и магнитного поля, всё ещё отсутствует.Интерференционные осцилляции не наблюдались в режиме дробного КЭХ для интерферометров типа Маха-Цендера, что связано, по-видимому, с малой длиной когерентности при дробных факторах заполнения, в то время как наличие вытравленной областис омическим контактом внутри петли интерферометра ограничивает минимальный размер прибора примерно 10 микронами.
Это соответствует результатам, известным для интерферометров типа Фабри-Перо: на этих приборах осцилляции при дробных факторахзаполнения так же не наблюдаются уже при микронных размерах петли интерферометра.Раздел 8.2 описывает модификацию нашей геометрии квази-Корбино, позволившуюсоздать создали квантовые интерферометры нового типа, в которых интерференционныетраектории образованы со-направленными краевыми состояниями на одном и том же краюобразца.Для реализации новой интерференционной схемы в область затворной щели введён маленький дополнительный затвор, см. Рис. 3.
Двумерный электронный газ под этим затвором обеднён до того же фактора заполнения 1, так что область взаимодействия краевыхсостояний оказывается разбита на две: одно краевое состояние проходит под затвором, авторое огибает затвор. При этом область двумерного газа под дополнительным затворчиком представляет собой внутренность итрерференционной петли. Фазой интерференцииможно управлять меняя магнитный поток через эту область, т.е. меняя магнитное полелибо затворное напряжение (последнее меняет геометрический размер петли). Существенной особенностью данной геометрии является тот факт, что сама геометрия задана режимом КЭХ под затвором (вне режима КЭХ начнётся протекание транспортного тока пообъёму), так что при вариации и магнитного поля, и затворного напряжения необходимооставаться внутри режима КЭХ.Следует отметить, что предложенная интерференционная схема принципиально отличается от интерферометров, реализованных с помощью квантовых точечных контактов.
Вквантовом контакте перенос заряда осуществляется между одинаковыми, но противоположно направленными краевыми состояниями, существующими на разных краях образца,т.о. это процесс рассеяния назад. В предложенной геометрии, перенос заряда есть процесс24gate34ν=2g=1g=121l intwl intРис. 3: Реализация интерферометра при помощи геометрии квази-Корбино, разработанной для исследования транспорта между со-направленными краевыми состояниями.
Затвор (жёлный цвет) задаёт геометрию эксперимента, обедняя двумерный электронный газпод ним до фактора заполнения 1. Краевые состояния возникают у границ образца, одно из них, следуя вдоль границы затвора, соединяет внутреннюю и внешнюю границы ипозволяет исследовать транспорт между со-направленными краевыми состояниями в области затворной щели на внешней границе образца (не в масштабе). Для реализации новойинтерференционной схемы в область затворной щели введён маленький дополнительныйзатвор.рассеяния вперёд между двумя со-направленными, но вообще говоря разными краевымисостояниями, распространяющимися на одном краю образца. В этой связи процессы декогеренции должны быть принципиально иными в предложенной схеме.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
