Одномерная электронная жидкость на краю двумерной электронной системы в режиме квантового эффекта Холла (1097785), страница 9
Текст из файла (страница 9)
С точки зрения топологии краевых состояний, предложенная схема является точным аналогом оптическогоинтерферометра Маха-Цендера, причём без вытравленной области и омического контактавнутри петли интерферометра. Таким образом снимаются как технические ограниченияна реализацию интерферометра малого размера, так и принципиальные на работу в режиме дробного КЭХ, происходящие из теоремы Байрса-Янга [40].Разделы 8.3 и 8.4 посвящены обсуждению полученных результатов.Мы создали квантовые интерферометры (квази-Фабри-Перо (25-27) и Маха-Цендера(28-30)) нового типа, в которых интерференционные траектории образованы со-направленнымикраевыми состояниями на одном и том же краю образца.
Продемонстрировано наличиеинтерференционной картины в режимах целочисленного и дробного квантового эффектаХолла. Экспериментально показано, что интерференционная картина нечувствительна кпроцессам перезарядки даже для малых размеров активной области интерферометра, вотличие от приборов с встречно направленными краевыми состояниями, что значительноупрощает интерпретацию интерференционной картины (28).В режиме целочисленного квантового эффекта Холла показано (25,28) что интерференционная картина существует лишь при больших разбалансах, в отличие от квантовыхинтерферометров обычного типа.
Данное поведение связано со спецификой сохранениякогерентности при транспорте между со-направленными спин-расщеплёнными краевымисостояниями (обсуждается в (28)).В режиме дробного квантового эффекта Холла впервые удалось пронаблюдать интерференцию в интерферометре типа Маха-Цендера (29,30). При этом наша реализация дан25ного интерферометра, в отличие от общепринятой, не содержит внутри интерференционной петли область, не занятую электронным газом, что позволяет иметь внутри интерференционной петли только квантовохольное состояние электронной жидкости с факторомзаполнения 1/3. Так реализованный интерферометр Маха-Цендера ясно демонстрируетинтерференционные осцилляции с периодом по магнитному потоку Φ∗ = e/e∗ Φ0 = 3Φ0при дробном факторе заполнения 1/3, что подтверждает теоретические представлениятеории Лафлина для дробного квантового эффекта Холла при факторе заполнения 1/3.Видность интерференционной картины при дробных факторах заполнения сильно зависитот разбаланса (29,30), обращаясь в нуль уже при разбалансах, меньших соответствующейспектральной щели, в отличие от целочисленного случая.В Заключении суммируются основные выводы работы:1.
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-увеличенным26значением 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. Показана возможность управлять существованием таких дефектов спомощью компоненты магнитного поля, параллельной плоскости двуслойной системы.8. При измерениях транспорта поперек несжимаемой полосы с локальным факторомзаполнения 1 установлена нетривиальная связь между краевыми и объемными свойствами: экспериментально продемонстрировано исчезновение несжимаемой полосы,соответствующей локальному фактору заполнения 1, при объемном фазовом переходе в так называемую наклонную антиферромагнитную фазу.9.
В режиме дробного квантового эффекта Холла развитая нами методика позволяетисследовать транспорт поперек (с края на край) отдельной несжимаемой полосы,находящейся при заданном дробном локальном факторе заполнения. В зависимостиот использованных факторов заполнения, методика позволяет исключить влияниеостальных полос, либо, путём изменения объёмного фактора заполнения, добавитьк исследуемой системе влияние соседней несжимаемой области.2710. При исследовании транспорта поперек отдельной несжимаемой полосы, находящейся при заданном дробном локальном факторе заполнения, обнаружено степенноеповедение вольт-амперных характеристик, что даже качественно отличается от поведения исследуемой системы в условиях целочисленного заполнения.
Анализ вольтамперных характеристик показывает, что обнаруженное экспериментально степенное поведение соответствует ожидаемому для латтинжеровской туннельной плотности состояний, вызванному возбуждением коллективных мод хиральной латтинжеровской жидкости.11.
Исследование процессов установления равновесия при транспорте поперёк отдельнойнесжимаемой полосы для дробных факторов заполнения 2/3, 4/3 и 5/3 свидетельствует в пользу существования сложной структуры коллективных краевых возбуждений при этих не-лафлиновских дробных факторах заполнения в соответствии спредсказаниями эффективной теории края.12. В условиях, когда существенно влияние соседней несжимаемой области, находящейсяпри дробном факторе заполнения 2/5, показано, что это влияние приводит к значительному увеличению транспорта поперек края на больших масштабах длин.
Дляданного эксперимента проведена модификация оригинальной методики, позволяющая варьировать длину области взаимодействия на одном образце.13. Наша экспериментальная методика позволила независимо исследовать перенос заряда и энергии вдоль края двумерной системы в режиме квантового эффекта Холла.Мы продемонстрировали, что в условиях сильной неравновесности на краю возникает перенос энергии навстречу дрейфу электронов для факторов заполнения 1 и1/3. Анализ эксперимента показывает, что предсказанная теоретически нейтральная мода коллективных краевых возбуждений является основным кандидатом дляобъяснения экспериментального эффекта, причём именно режим сильной неравновесности открывает доступ к эффективному возбуждению и детектированию такойнейтральной моды.14.
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. Продемонстрировано наличие интерференционной картины в режимах целочисленного идробного квантового эффекта Холла. Экспериментально показано, что интерференционная картина нечувствительна к процессам перезарядки даже для малых размеров активной области интерферометра, в отличие от приборов с встречно направленными краевыми состояниями, что значительно упрощает интерпретацию интерференционной картины.15.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
