WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 8 Аномалии дробного квантового эффекта Холла в широкой баллистической проволоке ¶,+,© З.Д. Квон, Е.Б. Ольшанецкий, А.Е. Плотников, А.И. Торопов, Ж.К. Порталь Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск Grenoble High Magnetic Fields Laboratory, MPI-FKF and CNRS, B.P.166, F-38042 Grenoble, France + INSA 135, Avenue de Rangueil 31077 Toulouse Cedex 4, France Institut Universitaire de France (Получена 14 января 2002 г. Принята к печати 22 января 2002 г.) Экспериметально исследован магнитотранспорт баллистической проволоки в режиме целочисленного и дробного квантования. Обнаружена нелинейная завиcимость фактора заполнения () уровня Ландау в условиях ультраквантового предела от магнитного поля, возникающая при определенной реализации самосогласованного электростатического потенциала проволоки. Предположено, что обнаруженный эффект является результатом влияния взаимодействия между электронами на частично заполненном уровне Ландау на этот потенциал, приводящего к уменьшению концентрации электронов в проволоке с ростом магнитного поля при <1.

После появления работ [1] и ряда последующих экспе- Экспериментальные образцы, исследованные в работе, риментов нет никаких сомнений, что во многих случаях представляли собой проволоки с потенциометрическими транспорт в режимах целочисленного и дробного кван- контактами. Проволочные структуры были изготовлены тового эффекта Холла определяется краевыми токовыми с помощью электронной литографии и последующего состояниями. Они представляют собой широкие поло- плазмохимического травления (схематическое изобрасы (их ширина намного превышает соответствующую жение проволоки и ее литографические размеры помагнитую длину) сжимаемой электронной жидкости и казаны на вставке к рис. 1). В качестве исходного значительно более узкие несжимаемые, расположенные материала служил гетеропереход AlGaAs/GaAs с двуна краях образца. Влияние широких сжимаемых полос мерным электронным газом, имеющим подвижность впервые было продемонстрировано в работе [2]. Однако µ = 106 см2/(B · c) при концентрации электронов в [2] фактически изучалось только двухтерминальное Ns = 2 · 1011 см-2 (соответствующая длина сводобного сопротивление проволоки, а интересный и важный вопробега le = 8мкм) и расположенным на расстоянии прос о поведении холловской (RH) и продольно дис150 нм от поверхности структуры. Отметим, что глусипативной (RL) компонент сопротивления проволоки бина травления не превышала 50 нм, благодаря чему в случае магнетотранспорта, осуществляемого краевыповерхность, подвергаемая плазменной обработке, нахоми токовыми состояниями, ширина которых сравнима дилась от двумерного электронного газа на расстоянии, с шириной проволоки, оставался открытым. Впервые большем, чем толщина спейсера (dsp = 60 нм). Тем одновременное измерение RH и RL широкой баллисамым было исключено заметное влияние флуктуацистической проволоки (LH W l, LH — магнитная онного потенциала по краям проволоки. После изгодлина, l — длина свободного пробега) было проведено товления проволоки на нее напылялся металлический в работе [3], где был обнаружен ряд аномалий в поведеTiAu-затвор, подача напряжения на который позволяла нии RH и RL, объясненных существованием сжимаемых менять концентрацию электронов в проволоке. Измереполос электронной жидкости, ширина которых сравнима ния проводились по стандартной четырехзондовой схеме с шириной проволоки.

при температурах 40 мК–1 К в магнитных полях до 15 Тл.

В данной работе сообщается еще об одной аномалии, Измерительный ток не превышал 1 нА, чтобы исключить возникающей в широкой баллистической поволоке в реэффекты разогрева.

жиме дробного холловского квантования, — нелинейной На рис. 1 показаны результаты измерения дисзависимости фактора заполнения уровня Ландау при сипативного RL и холловского RH магнитосопротив <1 от магнитного поля. Предположено, что подобная ления проволоки при значении затворного напряженелинейность связана с влиянием магнитного поля на ния Vg = -0.35 В. На первый взгляд, он демонстрирует самосогласованный электростатический потенциал простандартную картину поведения RL и RH в режиме волоки, приводящим к уменьшению электронной конквантового эффекта Холла. В магнитных полях, соотцентрации в проволоке с ростом величины магнитного ветствующих целочисленному фактору заполнения, поля в условиях ультраквантового предела ( <1).

наблюдаются минимумы RL и соответствующие пла¶ то холловского квантования, а при факторе <1 — E-mail: kvon@thermo.isp.nsc.ru Fax: 8(3832)332771 минимум в зависимости RL(B) и плато на зависимоАномалии дробного квантового эффекта Холла в широкой баллистической проволоке му пределу, т. е. при < 1 (в данном случае при полях, превышающих 5 Тл), экспериментальная зависимость RH(B) начинает заметно отклоняться от прямой, идя выше нее. Этот факт заставляет предположить, что в этих условиях нарушается линейная зависимость фактора заполнения уровня Ландау от магнитного поля, наблюдаемая во всех макроскопических двумерных системах. Однако сам факт нелинейной зависимости RH(B) не позволяет сделать этот вывод однозначно. Точное заключение можно сделать из положения плато дробного холловского квантования, позволяющего однозначно определить фактор заполнения уровня Ландау. На рис. видно хорошо выраженное плато холловского квантования, соответствующее фактору заполнения = 1/3.

Середина этого плато лежит при значении магнитного Рис. 1. Зависимости от магнитного поля холловской (RH(B)) поля B = 11.7 Тл, значительно меньшем, чем слеи продольной (RL(B)) компонент сопротивления проволоки дует из стандартной линейной зависимости, которая при Vg = -0.35 В, T = 50 мК (штриховой линией показана дает для нее B = 15 Тл. Отметим, что минимум в зависимость RH = B/eNs). На вставке — схематическое зависимости RL(B) также лежит при B = 11.7Тл, а изображение проволоки.

не при B = 15 Тл. Таким образом, приведенные экспериментальные результаты по дробному холловскому квантованию однозначно указывают на возникновение в проволоке нелинейной зависимости фактора заполнения уровня Ландау от магнитного поля. Эта нелинейность приводит к тому, что определенное значение в ультраквантовом пределе достигается при меньшей величине магнитного поля, чем в случае обычной линейной зависимости. Подобному поведению можно найти объяснение, только допустив, что концентрация электронов в проволоке начинает уменьшаться с ростом магнитного поля, как только фактор заполнения становится меньше единицы. Это означает, что при определенных условиях, реализованных в данном эксперименте, магнитное поле в условиях частично заполненного уровня Ландау может влиять на самосогласованный электростатический потенциал проволоки. Этот вывод подтверждается и экспериментами при меньшей концентрации электронов.

На рис. 2 показаны зависимости RH(B) и RL(B) при Рис. 2. Зависимости от магнитного поля холловской (RH(B)) затворном напряжении Vg = -0.5 В. Там же показана и продольной (RL(B)) компонент сопротивления проволоки зависимость RH = B/eNs уже при существенно меньшей при Vg = -0.5В, T = 50 мК (штриховой линией показана зависимость RH = B/eNs). концентрации электронов (Ns = 7 · 1010 см-2). Хорошо видно, что отклонение от нее начинается, как только магнитное поле становится больше 3 Тл, т. е. когда фактор заполнения становится меньше единицы. Это также сти RH(B), соответствующие = 1/3. Однако боподтверждается положениями плато дробного холловлее внимательный анализ обнаруживает отклонение от ского квантования, тоже соответствующего = 1/3, и этой картины. На рисунке сплошной линией проведена минимума на зависимости RL(B). Правда, плато уже прямая, соответствующая зависимости RH = B/eNs искажено мезоскопическими флуктуациями, а минимум (Ns = 1.2 · 1011 см-2). Хорошо видно, что в области выражен заметно слабее и сдвинут относительно плато в малых полей эксперимент точно следует этой зависибольшие поля. Тем не менее это не мешает определить с мости, а там, где появляются плато целочисленного достаточной точностью фактор заполнения и увидеть все квантования, она идет приблизительно через их се- ту же нелинейность зависимости (B). Таким образом, редину. Именно такая картина наблюдается для ма- независимо от концентрации электронов в нулевом кроскопического двумерного электронного газа как в магнитном поле, как только в проволоке реализуется режиме квантового эффекта Холла, так и в режиме частично заполненный уровень Ландау, возникает нелидробного квантового эффекта Холла. Однако на рис. 1 нейная зависимость (B), причем степень нелинейности в магнитных полях, соответствующих ультраквантово- остается почти одинаковой для обоих значений Ns.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 988 З.Д. Квон, Е.Б. Ольшанецкий, А.Е. Плотников, А.И. Торопов, Ж.К. Порталь Следует отметить, что отмеченная нелинейность наблю- Fractional Quantum Hall effect anomalies дается не на всех проволоках. В проволоках с меньin wide ballistic wires шим значением порогового напряжения этот эффект Z.D. Kvon, E.B. Olshanetsky, A.Y. Plotnikov, не наблюдался и фактор заполнения вел себя так же,,+,A.I. Toropov, J.C. Portal как и в макроскопическом случае. Отсюда следует, что существование нелинейности в определяющей степени Institute of Semiconductor Physics, зависит от формы электростатической потенциальной Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, ямы, реализуемой в данной проволоке.

630090 Novosibirsk, Russia Обсудим описанные выше результаты. Они свиде- Grenoble High Magnetic Fields Laboratory, тельствуют, что при определенных условиях в широкой MPI-FKF and CNRS, B.P. 166, баллистической проволоке фактор заполнения частично F-38042 Grenoble, France + заселенного уровня Ландау растет с ростом магнит- INSA 135, Avenue de Rangueil 31077 Toulouse Cedex 4, France ного поля быстрее, чем дает линейная зависимость, характерная для макроскопических образцов. Наибо- Institut Universitaire de France лее вероятным объяснением обнаруженного эффекта является предположение о том, что концентрация дву-

Abstract

Magnetotransport of the ballistic wire fabricated on мерных электронов на частично заполненном уровне the basis of high mobility 2D electron gas in an AlGaAs/GaAs Ландау в широкой баллистической проволоке начинает heterostructure is experimentally studied in integer QHE and уменьшаться с ростом магнитного поля. В принципе fractional QHE regimes. It has been found that there is a nonlinear нет ничего удивительного, что магнитное поле может dependence of the Landau level filling factor at < 1 on влиять на Ns. Качественно механизм этого влияния the magnetic field occuring under certain realization of a selfconsistent elecrtostatic potential in the wire. It is supposed that this можно представить следующим образом. Очевидно, что самосогласованный электростатический потенциал, реа- effect results from the electron-electron interaction at a partially лизуемый в проволоке, есть результат сложения элек- occupied Landau level which leads to decreasing the electron density with the magnetic field rise.

тростатических полей, связанных с зарядом спейсера, металлического затвора, поверхностных состояний и, главное, с экранирующим зарядом электронов на частично заполненном уровне Ландау. Именно перечисленные факторы приводят к образованию сжимаемых и несжимаемых полос электронной жидкости в проволоке.

Формирование указанного самосогласованного потенциала в немалой степени зависит от характера электронэлектронного взаимодействия на этом уровне, в свою очередь зависящего от фактора его заполнения и от Ns.

Это и может привести к влиянию магнитного поля на концентрацию электронов. Однако однозначное решение поставленной проблемы может дать только построение последовательной теории частично заполненного уровня Ландау в баллистической проволоке, учитывающей все указанные выше факторы.

Список литературы [1] D.B. Chklovskii, B.I. Shklovskii, L.I. Glazman. Phys. Rev. B., 46, 4026 (1992).

[2] S.W. Hwang, D.C. Tsui, M. Shayegan. Phys. Rev. B., 48, 8161 (1993).

[3] Z.D. Kvon, E.B. Olshanetsky, M. Casse, A.Y. Plotnikov, D.K. Maude, J.C. Portal, A.I. Toropov. Physica B, 298, 155 (2001).

Редактор Т.А. Полянская Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.