Βελτιωμένη σταθερότητα κβαντικών Hall skyrmions κάτω από ακτινοβολίες ραδιοσυχνοτήτων

Αφηρημένη Παρουσιάζουμε σε αυτό το έγγραφο τα αποτελέσματα μιας πρόσφατης μελέτης σχετικά με τη σταθερότητα της κβαντικής κατάστασης στροφών Hall σε έναν παράγοντα πλήρωσης επιπέδου Landau (ν) κοντά στο ν = 1 σε ένα στενό κβαντικό φρεάτιο GaAs. Σύμφωνα με την προηγούμενη εργασία, παρατηρείται μια ηχηρή συμπεριφορά στις μετρήσεις NMR που ανιχνεύθηκαν με αντίσταση. Στις επακόλουθες μετρήσεις τάσης ρεύματος (IV) για να εξετάσουμε τη συμπεριφορά βλάβης σε ακτινοβολίες ραδιοσυχνοτήτων, παρατηρούμε ότι το κρίσιμο ρεύμα αναλαμβάνει τη μεγαλύτερη τιμή ακριβώς στη συχνότητα πυρηνικού συντονισμού 75 As. Συζητάμε την πιθανή προέλευση για αυτήν την απροσδόκητα βελτιωμένη σταθερότητα. Εισαγωγή Πριν από λίγο καιρό, αποδείχθηκε ότι ένας διακριτός κρύσταλλος 1 , 2 , 3 , 4 μπορεί να πραγματοποιηθεί εάν ένα κβαντικό σύστημα οδηγείται περιοδικά σε κατάσταση μη ισορροπίας. Τα πειράματα απόδειξης της έννοιας αναφέρονται από δύο ομάδες που χρησιμοποιούν παγιδευμένα ιόντα και κέντρα κενών αζώτου σε διαμάντια, αντίστοιχα 5 , 6 . Η έννοια των διακριτών κρυστάλλων χρόνου καταδεικνύει έντονα ότι ο χρόνος συνοχής ενός κβαντικού συστήματος μπορεί να ενισχυθεί με την απομάκρυνση του συστήματος από την ισορροπία. Σε αυτό το άρθρο, θέλουμε να δοκιμάσουμε αυτήν την νέα ιδέα σε ένα άλλο κανονικό κβαντικό σύστημα, το κβαντικό σύστημα Hall σε ένα δισδιάστατο αέριο ηλεκτρονίων (2DEG). Σε 2DEG υψηλής ποιότητας, διακριτά επίπεδα Landau σχηματίζονται σε χαμηλές θερμοκρασίες όταν εφαρμόζεται κάθετο υψηλό μαγνητικό πεδίο. Αυτό δημιουργεί το ακέραιο κβαντικό εφέ Hall (IQHE) 7 . Σε γενικές γραμμές, το IQHE μπορεί να γίνει κατανοητό κάτω από μία εικόνα σωματιδίων ποσοτικοποίησης επιπέδων Landau και διεύρυνσης διαταραχών 8 . Ωστόσο, αυτή η εικόνα ενός μορίου δεν εξηγεί την κατάσταση ν = 1. Εδώ ν = nh / eB είναι ο Landau παράγοντας πλήρωσης επίπεδο, n η πυκνότητα του 2DEG, h η σταθερά του Planck, e το φορτίο ηλεκτρονίων, και Βτο μαγνητικό πεδίο. Στο ν = 1, οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων-ηλεκτρονίων (ee) και η αρχή του Pauli αναγκάζουν τις περιστροφές ηλεκτρονίων να ευθυγραμμιστούν με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, δημιουργώντας μια τέλεια κβαντική σιδηρομαγνητική φάση 9 . Οι διεγέρσεις με χαμηλότερη ενέργεια αυτής της κβαντικής φερομαγνητικής φάσης Hall ονομάζονται skyrmions, μια τοπολογική περιστροφή υφής 9 , 10 , 11 . Η κατάσταση κβαντικών Hall skyrmions (QHS) έχει επιβεβαιωθεί σε διάφορα πειράματα 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 ,22 , 23 , 24 , 25 , 26 . Μεταξύ των μεθόδων ανίχνευσης της κατάστασης QHS,χρησιμοποιείται ευρέως ητεχνική του ανθεκτικού πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (RDNMR) 27 . Σε μια τυπική μέτρηση RDNMR, ένα μαγνητικό πεδίο ταλαντωτικής ραδιοσυχνότητας (RF) συνδέεται με, για παράδειγμα, 75 As, πυρηνικές περιστροφές. Η υπέρλεπτη αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρονίων και των πυρηνικών περιστροφών, με τη σειρά της, τροποποιεί την ενέργεια Zeeman και έτσι την αντίσταση του 2DEG στη συχνότητα Larmor των 75 As. Ως αποτέλεσμα, παρατηρείται συμπεριφορά συντονισμού στο φάσμα της αντίστασης έναντι της συχνότητας RF. Είναι μεγάλο ενδιαφέρον να θέσουμε το ερώτημα σχετικά με τη σταθερότητα της κατάστασης QHS όταν απομακρύνεται από την ισορροπία. Η απάντηση σε αυτήν την ερώτηση μπορεί να προσφέρει μια χρήσιμη οδό για την κατανόηση των κβαντικών συνεκτικών ιδιοτήτων ενός συστήματος μη ισορροπίας. Πράγματι, σε σύγκριση με τα παγιδευμένα ιόντα και τα κέντρα κενών αζώτου σε διαμάντια, το κβαντικό σύστημα Hall μπορεί να υλοποιηθεί σε βιομηχανικά συμβατά υλικά ημιαγωγών και, επομένως, μπορεί να έχει σημαντικές επιπτώσεις σε πρακτικές εφαρμογές. Μια κοινή προσέγγιση για την εξέταση της σταθερότητας ενός κβαντικού συστήματος Hall (QH) είναι η μέτρηση του ενεργειακού του κενού 13 , 14 , 15 . Μια άλλη κοινώς χρησιμοποιούμενη μέθοδος είναι να μελετήσει τη συμπεριφορά κατανομής 28 , 29 , 30 , 31, 32 , 33 . Σε αυτού του είδους τις μελέτες, ένα μεγάλο ρεύμα εφαρμόζεται στο κβαντικό δείγμα Hall. Καθώς το ρεύμα αυξάνεται σε μια κρίσιμη τιμή, το φαινόμενο QH καταρρέει και η αντίσταση του 2DEG γίνεται μη μηδενική. Το μέγεθος του κρίσιμου ρεύματος σχετίζεται με τη σταθερότητα του συστήματος QH. Εδώ, παρουσιάζουμε τα αποτελέσματα μιας πρόσφατης μελέτης σχετικά με τη σταθερότητα της κατάστασης QHS σε επίπεδο Landau που πλησιάζει το ν = 1 μετρώντας τα χαρακτηριστικά της τάσης ρεύματος (IV) υπό ακτινοβολίες RF. Παρατηρούμε ότι το κρίσιμο ρεύμα αυξάνεται ορατά όταν η συχνότητα RF είναι σωστή στη συχνότητα Larmor των 75 ως πυρήνων, όπου η υπερλεπτική αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρονίων και πυρηνικών περιστροφών διαταράσσει την κατάσταση QHS πιο σημαντικά. Πιστεύουμε ότι αυτή η παρατήρηση είναι σύμφωνη με τη νέα ιδέα ότι ο χρόνος συνοχής ενός κβαντικού συστήματος μπορεί να ενισχυθεί με την απομάκρυνση του συστήματος από την ισορροπία. Συσκευή και μέθοδοι Τα δείγματα που χρησιμοποιούνται στο πείραμά μας είναι στενά GaAs κβαντικά φρεάτια (QWs) που περικλείονται μεταξύ δύο Al 0,24 Ga 0,76 Ως στρώματα φραγμού πάχους 200 nm. Το πλάτος του φρεατίου είναι 6 nm. Το δισδιάστατο αέριο ηλεκτρονίων (2DEG) έχει πυκνότητα n ~ 4,5 × 10 10  cm −2 και κινητικότητα ~ 1 × 10 5 cm 2 / Vs, μετά από σύντομο φωτισμό δίοδος εκπομπής κόκκινου φωτός (LED) σε χαμηλή θερμοκρασία ( Τ ). Μια τυπική τεχνική κλειδώματος χαμηλής συχνότητας χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της μαγνητοαντίστασης R xx και R xyμε ρεύμα διέγερσης AC 10 nA. Μελετήθηκαν δύο δείγματα κβαντικής κοιλότητας και τα αποτελέσματα είναι σύμφωνα με το άλλο. Σε αυτό το άρθρο, θα παρουσιάσουμε τα αποτελέσματα από ένα δείγμα. Για μετρήσεις RDNMR, ένα πηνίο συλλογής οκτώ στροφών, κατασκευασμένο από χαλκό σύρμα, τυλίγεται γύρω από το δείγμα για να συνδέσει τα μαγνητικά πεδία RF με το 2DEG. Αποτελέσματα και συζήτηση Το Σχήμα 1 δείχνει τα διαγώνια αντίσταση R xx και ίχνη αντίστασης Hall x R μετρούμενα σε T ~ 25 mK. Σε χαμηλά μαγνητικά πεδία, οι ταλαντώσεις Shubnikov-de Haas φαίνονται καθαρά. Σε αυτό το καθεστώς, ο εκφυλισμός περιστροφής δεν ανυψώνεται και αναπτύσσονται μόνο οι ομαλές καταστάσεις πλήρωσης Landau. Σε υψηλότερα μαγνητικά πεδία, ο εκφυλισμός περιστροφής ανυψώνεται και η αναπτυσσόμενη κατάσταση ν = 3 γίνεται ορατή. Σε ακόμη υψηλότερα μαγνητικά πεδία, καλά ανεπτυγμένες καταστάσεις IQHE παρατηρούνται σε ν = 1 και 2, το R xx εξαφανίζεται μικρό και το R xy ποσοτικοποιείται στις αναμενόμενες τιμές. Φιγούρα 1 Φιγούρα 1 Δείχνει τη διαγώνια αντίσταση R xx (μαύρη καμπύλη) και την αντίσταση Hall R x y (κόκκινη καμπύλη) ενός στενού κβαντικού GaAs καθώς και μια συνάρτηση του μαγνητικού πεδίου σε θερμοκρασία T = 25 mK. Καλά ανεπτυγμένο κβαντικό εφέ παρατηρείται σε επίπεδο Landau γεμίζοντας ν = 1 και 2, που σημειώνονται με βέλη. >>>>>>Στη συνέχεια, παρουσιάζουμε αποτελέσματα από τις μετρήσεις RDNMR. Το σχήμα 2α δείχνει μια εικόνα της ρύθμισης μέτρησης. Το λαμπερό μαύρο κομμάτι στο chip-carrier είναι το δείγμα μας. Το κόκκινο πηνίο NMR τυλίγεται γύρω από τη μέση του δείγματος. Το σχήμα 2b δείχνει τα αποτελέσματα RDNMR των R xx και R xy ως συνάρτηση της συχνότητας RF (f). Το μαγνητικό πεδίο είναι σταθερό σε Β  = 1,465 Τ (ή ο συντελεστής πλήρωσης ν = 0,85). Το f μεταφέρεται από 10,6 έως 10,75 MHz, με ρυθμό 10 kHz ανά βήμα. Το R xx είναι περίπου σταθερό, αλλά πέφτει γρήγορα στα f = 10,69 MHz, προτού ανακτήσει τη σταθερή του τιμή. Αυτή η συντονιστική συμπεριφορά είναι σύμφωνη με την προηγούμενη εργασία 16 , 17 , 18, 19 , 22 , 23 , 25 στα κβαντικά Hall skyrmions. Παραδόξως, το ίχνος R xy δείχνει επίσης μια ηχητική συμπεριφορά στην ίδια συχνότητα αλλά με σχήμα διασποράς. Παρόμοιο φάσμα διασποράς έχει επίσης παρατηρηθεί σε Rxx σε προηγούμενες μελέτες 16 , 18 , 19 , 22 , 23 , 25 και η προέλευσή του παραμένει ασαφής. Αν και ο θόρυβος στα δεδομένα αποτρέπει μια ποσοτική σύγκριση μεταξύ των φασμάτων R xy και R xx , ωστόσο, εξετάζοντας τα σχήματα των R xx και R xyείναι προφανές ότι το R xx είναι ανάλογο με το -dR xy / df. Σχήμα 2 Σχήμα 2 ( α ) Πειραματική ρύθμιση για το ανθεκτικά ανιχνευμένο NMR. Το δείγμα είναι τοποθετημένο σε ένα πλαστικό φορέα τσιπ. Ένα πηνίο 8 στροφών (κόκκινο χρώμα) γύρω από το δείγμα χρησιμοποιείται για να συνδέσει τις ακτινοβολίες RF στο δείγμα. Ένα κόκκινο LED χρησιμοποιείται για φωτισμό χαμηλής θερμοκρασίας. ( b ) δείχνει τα R xx και R xy ως συνάρτηση της συχνότητας RF από 10,60 έως 10,75 MHz. Η συντονιστική συμπεριφορά παρατηρείται τόσο στα R xx όσο και στο R xy στα ~ 10,69 MHz. Οι μπλε, κόκκινες και πράσινες κουκκίδες υποδεικνύουν τις επιλεγμένες συχνότητες υπό τις οποίες πραγματοποιούνται οι μετρήσεις IV, όπως φαίνεται στο Σχ. 3 . /div

Στη συνέχεια, παρουσιάζουμε αποτελέσματα από τις μετρήσεις RDNMR. Το σχήμα 2α δείχνει μια εικόνα της ρύθμισης μέτρησης. Το λαμπερό μαύρο κομμάτι στο chip-carrier είναι το δείγμα μας. Το κόκκινο πηνίο NMR τυλίγεται γύρω από τη μέση του δείγματος. Το σχήμα 2b δείχνει τα αποτελέσματα RDNMR των R xx και R xy ως συνάρτηση της συχνότητας RF (f). Το μαγνητικό πεδίο είναι σταθερό σε Β  = 1,465 Τ (ή ο συντελεστής πλήρωσης ν = 0,85). Το f μεταφέρεται από 10,6 έως 10,75 MHz, με ρυθμό 10 kHz ανά βήμα. Το R xx είναι περίπου σταθερό, αλλά πέφτει γρήγορα στα f = 10,69 MHz, προτού ανακτήσει τη σταθερή του τιμή. Αυτή η συντονιστική συμπεριφορά είναι σύμφωνη με την προηγούμενη εργασία 16 , 17 , 18, 19 , 22 , 23 , 25 στα κβαντικά Hall skyrmions. Παραδόξως, το ίχνος R xy δείχνει επίσης μια ηχητική συμπεριφορά στην ίδια συχνότητα αλλά με σχήμα διασποράς. Παρόμοιο φάσμα διασποράς έχει επίσης παρατηρηθεί σε Rxx σε προηγούμενες μελέτες 16 , 18 , 19 , 22 , 23 , 25 και η προέλευσή του παραμένει ασαφής. Αν και ο θόρυβος στα δεδομένα αποτρέπει μια ποσοτική σύγκριση μεταξύ των φασμάτων R xy και R xx , ωστόσο, εξετάζοντας τα σχήματα των R xx και R xyείναι προφανές ότι το R xx είναι ανάλογο με το -dR xy / df. Σχήμα 2 Σχήμα 2 ( α ) Πειραματική ρύθμιση για το ανθεκτικά ανιχνευμένο NMR. Το δείγμα είναι τοποθετημένο σε ένα πλαστικό φορέα τσιπ. Ένα πηνίο 8 στροφών (κόκκινο χρώμα) γύρω από το δείγμα χρησιμοποιείται για να συνδέσει τις ακτινοβολίες RF στο δείγμα. Ένα κόκκινο LED χρησιμοποιείται για φωτισμό χαμηλής θερμοκρασίας. ( b ) δείχνει τα R xx και R xy ως συνάρτηση της συχνότητας RF από 10,60 έως 10,75 MHz. Η συντονιστική συμπεριφορά παρατηρείται τόσο στα R xx όσο και στο R xy στα ~ 10,69 MHz. Οι μπλε, κόκκινες και πράσινες κουκκίδες υποδεικνύουν τις επιλεγμένες συχνότητες υπό τις οποίες πραγματοποιούνται οι μετρήσεις IV, όπως φαίνεται στο Σχ. 3 .