Научная тема: «ОДНОМЕРНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЖИДКОСТЬ НА КРАЮ ДВУМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ В РЕЖИМЕ КВАНТОВОГО ЭФФЕКТА ХОЛЛА»
Специальность: 01.04.10
Год: 2013
Отрасль науки: Физико-математические науки
Основные научные положения, сформулированные автором на основании проведенных исследований:
  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 эффекта Холла (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 идентичные краевые состояния. Другой уникальной особенностью данной методики является возможность проводить эксперимент в условиях сильной неравновесности между краевыми состояниями. Предложена модификация формализма Бюттикера-Ландауера путем введения локальной характеристики транспорта, позволяющая количественно описывать транспорт поперек несжимаемой полосы в условиях сильной неравновесности.
  2. При исследовании транспорта между со-направленными краевыми состояниями с различной спиновой ориентацией, мы обнаружили релаксацию на макроскопических временах, связанную c образованием области динамически поляризованных ядерных спинов (при одновременном перевороте спина электрона и ядра). Экспериментально показано, что релаксация, возникающая в силу обратного влияния поля Оверхау-зера на спиновое расщепление в спектре электронной подсистемы, характеризуется двумя характерными временами - временем локального установления полной спиновой поляризации ядер в области транспорта между краевыми состояниями и временем установления стабильной области поляризованных ядерных спинов вне области транспорта (в силу конкуренции диффузии ядерного спина и релаксации ядерного спина).
  3. Наша методика позволила провести локальные исследования энергетических щелей в полосках 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 сравнить щели в краевом и объёмном спектрах в режиме КЭХ.
  4. Для однослойной двумерной электронной системы, реализованной в гетеропереходе GaAs/AlGaAs продемонстрировано экспериментально соответствие щелей в краевом и объёмном спектрах КЭХ (циклотронной и зеемановской с обменно-увеличенным значением фактора д = 7 для чётных и нечётных локальных факторов заполнения соответственно), что служит доказательством плавности краевого потенциала в режиме КЭХ. Из экспериментов на разных по качеству и концентрации образцах показано, что измеренная в нашей методике щель в краевом спектре является щелью подвижности и проанализирована её зависимость от компоненты магнитного поля в плоскости двумерной системы.
  5. Экспериментально продемонстрирована одновременная реконструкция краевого и объёмного спектров, вызванная сильным спин-орбитальным взаимодействием для двух нижних факторов заполнения и = 1 и и = 2 для двумерного электронного газа в InxGax_xAs квантовой яме с высоким содержанием индия х = 0.75. Реконструкция спектра имеет разный сценарий при этих факторах заполнения: область реконструкции спектра характеризуется занулением энергетической щели для фактора заполнения v = 2, в то время как при и = 1 реконструкция идёт через сосуществование двух фаз КЭХ, соответствующих и = 1 состоянию с различными спиновыми проекциями. Анализ показывает сильное влияние многочастичных эффектов на реконструкцию при v = 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 схло-пывание спектральных щелей при некоторых факторах заполнения, возникновение новых, гибридных, щелей при факторах заполнения и= 1,2, вызванное перестройкой волновых функций подзон в нормальном магнитном поле, и показано возникновение гибридных щелей при факторах заполнения и > 2 при введении компоненты магнитного поля, параллельной плоскости двуслойной системы.
  7. Проведены исследования транспорта на краю двуслойных электронных систем в режиме целочисленного квантового эффекта Холла. Показано, что модификация объёмного 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 с помощью компоненты магнитного поля, параллельной плоскости двуслойной системы.
  8. При измерениях транспорта поперек несжимаемой полосы с локальным фактором заполнения 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 позволяет исследовать транспорт поперек (с края на край) отдельной несжимаемой полосы, находящейся при заданном дробном локальном факторе заполнения. В зависимости от использованных факторов заполнения, методика позволяет исключить влияние остальных полос, либо, путём изменения объёмного фактора заполнения, добавить к исследуемой системе влияние соседней несжимаемой области.
  10. При исследовании транспорта поперек отдельной несжимаемой полосы, находящейся при заданном дробном локальном факторе заполнения, обнаружено степенное поведение вольт-амперных характеристик, что даже качественно отличается от поведения исследуемой системы в условиях целочисленного заполнения. Анализ вольт-амперных характеристик показывает, что обнаруженное экспериментально степенное поведение соответствует ожидаемому для латтинжеровской туннельной плотности состояний, вызванному возбуждением коллективных мод хиральной латтинже-ровской жидкости.
  11. Исследование процессов установления равновесия при транспорте поперёк отдельной несжимаемой 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 с предсказаниями эффективной теории края.
  12. В условиях, когда существенно влияние соседней несжимаемой области, находящейся при дробном факторе заполнения 2/5, показано, что это влияние приводит к значительному увеличению транспорта поперек края на больших масштабах длин. Для данного 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 и 1/3. Анализ эксперимента показывает, что предсказанная теоретически нейтральная мода коллективных краевых возбуждений является основным кандидатом для объяснения экспериментального эффекта, причём именно режим сильной неравновесности открывает доступ к эффективному возбуждению и детектированию такой нейтральной моды.
  14. Экспериментально реализованы квантовые интерферометры (квази-Фабри-Перо и Маха-Цендера) нового типа, в которых интерференционные траектории образованы со-направленными краевыми состояниями на одном и том же краю образца. Продемонстрировано наличие интерференционной картины в режимах целочисленного и дробного 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. В режиме целочисленного квантового эффекта Холла показано что интерференционная картина существует при больших разбалансах, превышающих спектральную щель, в отличие от квантовых интерферометров обычного типа. Данное поведение объяснено спецификой сохранения когерентности при транспорте между со-направленными спин-расщеплёнными краевыми состояниями.
  16. В режиме дробного квантового эффекта Холла впервые удалось пронаблюдать интерференцию в интерферометре типа Маха-Цендера. При этом наша реализация данного 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 фактором заполнения 1/3. Так реализованный интерферометр Маха-Цендера ясно демонстрирует интерференционные осцилляции с периодом по магнитному потоку Ф* = е/е*Ф0 = ЗФ0 при дробном факторе заполнения 1/3, что подтверждает теоретические представления теории Лафлина для дробного квантового эффекта Холла при факторе заполнения 1/3. Видность интерференционной картины при дробных факторах заполнения сильно зависит от разбаланса, обращаясь в нуль уже при разбалансах, меньших соответствующей спектральной щели, в отличие от целочисленного случая.
Список опубликованных работ
1.Девятов Э.В., Краевые состояния в режимах целочисленного и дробного квантовых эффектов Холла // Успехи физических наук, -2007. т.177, №2, - стр. 207-229.

2.Deviatov E. V., Lorke A., Separately contacted edge states at high imbalance in the integer and fractional quantum Hall effect regime // phys. stat. sol. (b). - 2008. 245, No. 2, - pp. 366 - 377.

3.Wurtz A., Wildfeuer R., Lorke A., Deviatov E. V., and Dolgopolov V. T., Separately contacted edge states: A spectroscopic tool for the investigation of the quantum Hall effect // Phys. Rev. B. - 2002. vol. 65, - pp. 075303.

4.Deviatov E. V., Dolgopolov V. T., Wurtz A., Charge redistribution between cyclotron-resolved edge states at high imbalance // JETP Letters. -2004. vol. 79(10), - pp. 618.

5.Wurtz A., Deviatov E.V., Lorke A., Dolgopolov V.T., Reuter D., and Wieck A.D., Separately contacted edge states in the fractional quantum Hall regime // Physica E. -2004. vol. 22 (1-3) - pp. 177-180.

6.Deviatov E.V., Lorke A., Biasiol G., Sorba L., Wegscheider W., Local investigation of the energy gap within the incompressible strip in the quantum Hall regime // JETP Letters. - 2010. vol. 92, issue 1, - pp. 69.

7.Deviatov E. V., Wurtz A., Lorke A., Melnikov M. Yu., Dolgopolov V. T., Reuter D., and Wieck A. D., Two relaxation mechanisms observed in transport between spin-split edge states at high imbalance // Phys. Rev. B. - vol. 69, - pp. 115330.

8.Dolgopolov V. T., Shashkin A. A., Deviatov E. V., Hastreiter F., Hartung M., Wixforth A., Campman K. L., and Gossard A. C., Electron subbands in a double quantum well in a quantizing magnetic field // Phys. Rev. B. - 1999. vol. 59, - pp. 13235-13241.

9.Dolgopolov V.T., Tsydynzhapov G.E., Shashkin A.A., Deviatov E.V., Hastreiter F., Hartung M., Wixforth A., Campman K. L., and Gossard A. C, Magnetic-field-induced hybridization of electron subbands in a coupled double quantum well // JETP Letters. -1998. vol. 67 (8), - pp. 595-601.

10.Deviatov E.V., Khrapai V.S., Shashkin A.A., Dolgopolov V.T., Hastreiter F., Wixforth A., Campman K. L., and Gossard A. C., Opening an energy gap in an electron double layer system at the integer filling factor in a tilted magnetic field // JETP Letters. – 2000. vol. 71 (12), – pp. 496-499.

11.Dolgopolov V. T., Deviatov E. V., Khrapai V. S., Reuter D., Wieck A. D., Wixforth A., Campman K. L., and Gossard A. C., Spin ordering: two different scenarios for the single and double layer structures in the fractional and integer quantum Hall effect regimes // Phys. Stat. Sol. (b). – 2006. vol. 243, No. 14, – pp. 3648-3652.

12.Deviatov E. V., Wurtz A., Lorke A., Melnikov M. Yu., Dolgopolov V. T., Wixforth A., Campman K. L., and Gossard A. C., Manifestation of the bulk phase transition in the edge energy spectrum in a two-dimensional bilayer electron system // JETP Letters. – 2004. vol. 79 (4), – pp. 171-176.

13.Deviatov E. V., Dolgopolov V. T., Wurtz A., Lorke A., Wixforth A., Wegscheider W., Campman K. L., and Gossard A. C., Topological defects in the edge-state structure in a bilayer electron system // Phys. Rev. B. –2005. vol. 72, – pp. 041305.

14.Deviatov E. V., Shashkin A. A., Dolgopolov V. T., Kutcshera H.-J., Wixforth A., Campman K. L., and Gossard A. C., Shifting the quantum Hall plateau level in a double layer electron system // JETP Letters. – 2002. vol. 75 (1), pp. 34-36.

15.Kononov A., Biasiol G., Sorba L., and Deviatov E. V., Energy spectrum reconstruction at the edge of a two-dimensional electron system with strong spin-orbit coupling // Phys. Rev. B. – 2012. vol. 86, – pp. 125304.

16.Deviatov E.V., Dolgopolov V.T., Williams F.I.B., Jager B., Lorke A., Kotthaus J.P., Gossard A.C., Excitation of edge magnetoplasmons in a two-dimensional electron gas by inductive coupling // Applied Physics Letters. – 1997. vol. 71, – pp. 3655-3657.

17.Shashkin A.A., Dolgopolov V.T., Deviatov E.V., Irmer B., Haubrich A.G.C., Kotthaus J.P., Bichler M., Wegscheider W., Lateral tunneling through the controlled barrier between edge channels in a two-dimensional electron gas system // Physica B. – 1999. vol. 272, -pp. 133-135.

18.Shashkin A.A., Dolgopolov V.T., Deviatov E.V., Irmer B., Haubrich A.G.C., Kotthaus J.P., Bichler M., Wegscheider W., Lateral tunneling through the controlled barrier between edge channels in a two-dimensional electron system // JETP Letters. – 1999. vol. 69, – pp. 603-609.

19.Deviatov E. V., Kapustin A. A., Dolgopolov V. T., Lorke A., Reuter D., and Wieck A. D., Equilibration between edge states in the fractional quantum Hall effect regime at high imbalances // Phys. Rev. B. – 2006. vol. 74, – pp. 073303.

20.Deviatov E. V., Kapustin A. A., Dolgopolov V. T., Lorke A., Reuter D., and Wieck A. D., Evidence for the Luttinger liquid density of states in transport across the incompressible stripe at fractional filling factors // EPL (formerly Europhysics Letters). – 2007. vol. 77, – pp. 37002.

21.Deviatov E. V., Dolgopolov V. T., Lorke A., Reuter D., and Wieck A. D., Transport across the incompressible strip in the fractional quantum Hall effect regime. // Physica E. – 2008. vol. 40, – pp. 1232–1234.

22.Deviatov E. V., Lorke A., and Wegscheider W., Manifestation of a complex edge excitation structure in the quantum Hall regime at high fractional filling factors // Phys. Rev. B. – 2008. vol. 78, – pp. 035310.

23.Deviatov E.V., Dolgopolov V.T., Lorke A., Wegscheider W., Wieck A.D., Experimental investigation of the edge states structure at fractional filling factors // JETP Letters. – 2005. vol. 82, issue 8, –pp. 598-602.

24.Deviatov E. V., Lorke A., Biasiol G., and Sorba L., Energy Transport by Neutral Collective Excitations at the Quantum Hall Edge // Phys. Rev. Lett.. – 2011. vol. 106, – pp. 256802.

25.Deviatov E.V. and Lorke A., Experimental realization of a Fabry-Perot-type interferometer by copropagating edge states in the quantum Hall regime // Phys. Rev. B. – 2008. vol. 77, – pp. 161302.

26.Deviatov E. V., Marquardt B., Lorke A., Biasiol G., and Sorba L., Interference effects in transport across a single incompressible strip at the edge of the fractional quantum Hall system // Phys. Rev. B. – 2009. vol. 79, – pp. 125312.

27.Deviatov Eduard V., Marquardt Bastian, Lorke Axel, Biasiol Giorgio, and Sorba Lucia, Experimental realization of a Fabry-Perot-type interferometer by co-propagating edge states in the integer and fractional quantum Hall effect regimes // Proc. SPIE. – 2009. vol. 7364, – pp. 73640Q.

28.Deviatov E. V., Ganczarczyk A., Lorke A., Biasiol G., and Sorba L., Quantum Hall Mach-Zehnder interferometer far beyond equilibrium // Phys. Rev. B. – 2011. vol. 84, – pp. 235313.

29.Девятов Э.В., Электронные интерферометры в режиме квантового эффекта Холла // Физика Низких Температур. – 2013. том 39 (1), – C. 11-25.

30.Deviatov E. V., Egorov S. V., Biasiol G., and Sorba L., Quantum Hall Mach-Zehnder interferometer at fractional filling factors // EPL (formerly Europhysics Letters). – 2012. vol. 100, – pp. 67009.