Индуцированные магнитным полем квантовые фазовые переходы в квазидвумерной электронной системе в квантовых ямах GaAs различной ширины

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

При помощи оригинальной магнетоемкостной методики, основанной на одновременном измерении емкостей между квазидвумерной электронной системой в одиночной квантовой яме GaAs и двумя затворами, расположенными по разные стороны от нее, исследованы индуцированные магнитным полем квантовые фазовые переходы между двухслойным и “однослойным” состояниями системы. Измерения выполнены на образцах с шириной квантовых ям 50 и 60 нм. Двухслойное состояние образовано слоями двумерных электронов, расположенными около противоположных стенок квантовой ямы. Оно характеризуется квантовыми магнетоосцилляциями сжимаемости каждого из слоев с частотой осцилляций, определяемой плотностью электронов в соответствующем слое. В “однослойном” состоянии минимумы сжимаемости наблюдаются только при заполнении всеми электронами одного или двух спиновых подуровней нижнего уровня Ландау (т. е. при значениях полных факторов заполнения vtot = 1, 2). Кроме того, в этом состоянии выполняется соотношение между измеряемыми емкостями, характерное для случая нахождения между затворами только одного слоя электронов. Установлено, что один переход из двухслойного в “однослойное” состояние происходит при достижении квантового предела, т.е. при vtot ≈ 2, независимо от плотности электронов в системе и ширины квантовой ямы. В области 1 < vtot < 2 обнаружено различное поведение электронных систем в ямах различной ширины. В яме шириной 50 нм “однослойное” состояние существовало при всех исследованных значениях факторов заполнения vtot ≤ 2. В яме шириной 60 нм при 1 < vtot < 2 наблюдали область двухслойного состояния с несжимаемым состоянием электронов в слое большей плотности на факторе заполнения единица в этом слое. В результате на образцах с шириной квантовой ямы 60 нм наблюдали три индуцированных магнитным полем квантовых фазовых перехода, на образце с шириной квантовой ямы 50 нм — только один. Такая зависимость картин квантовых фазовых переходов от ширины квантовой ямы, предположительно, обусловлена различной величиной туннельной связи между слоями. Впервые установлено существование индуцированного магнитным полем сжимаемого однослойного состояния в номинально двухслойной электронной системе.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Капустин

Институт физики твердого тела им. Ю.А.Осипьяна РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kapustin@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

С. И. Дорожкин

Институт физики твердого тела им. Ю.А.Осипьяна РАН

Email: kapustin@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

И. Б. Федоров

Институт физики твердого тела им. Ю.А.Осипьяна РАН

Email: kapustin@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

Список литературы

  1. Champagne A.R., Finck A.D.K., Eisenstein J.P., Pfeiffer L.N., West K.W. // Phys. Rev. B. 2008. V. 78. № 20. P. 205310. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.78.205310
  2. Kellogg M., Eisenstein J.P., Pfeiffer L.N., West K.W. // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. № 3. P. 036801. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.036801
  3. Piazza V., Pellegrini V., Beltram F., Wegscheider W., Jungwirth T., MacDonald A.H. // Nature. 1999. V. 402. P. 638. https://www.doi.org/10.1038/45189
  4. Khrapai V.S., Deviatov E.V., Shashkin A.A., Dolgopolov V.T., Hastreiter F., Wixforth A., Campman K.L., Gossard A.C. // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. № 4. P. 725. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.725
  5. Дорожкин С.И., Капустин А.А., Федоров И.Б., Уманский В., смет Ю.Х. // Письма в ЖЭТФ. 2023. Т. 117. № 1. С. 72. https://www.doi.org/10.31857/S123456782301010X
  6. Deng H., Liu Y., Jo I., Pfeiffer L.N., West K.W., Baldwin K.W., Shayegan M. // Phys. Rev. B. 2017. V. 96. № 8. P. 081102(R). https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.96.081102
  7. Zhang D., Schmult S., Venkatachalam V., Dietsche W., Yacoby A., von Klitzing K., Smet J. // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. № 20. P. 205304. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.87.205304
  8. Jungwirth T., MacDonald A.H. // Phys. Rev. B. 2000. V. 63. № 3. P. 035305. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.63.035305
  9. Kellogg M., Spielman I.B., Eisenstein J.P., Pfeiffer L.N., West K.W. // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 88. № 12. P. 126804. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.126804
  10. Liu X., Watanabe K., Taniguchi T., Halperin B. I., Kim P. // Nature Phys. 2017. V. 13. P. 746. https://www.doi.org/10.1038/NPHYS4116
  11. Li J.I.A., Taniguchi T., Watanabe K., Hone J., Dean C.R. // Nature Phys. 2017. V. 13. P. 751. https://www.doi.org/10.1038/NPHYS4140
  12. Dorozhkin S.I., Kapustin A.A., Fedorov I.B., Umansky V., von Klitzing K., Smet J.H. // J. Appl. Phys. 2018. V. 123. № 8. P. 084301. https://www.doi.org/10.1063/1.5019655
  13. Kozlov D.A., Bauer D., Ziegler J., Fischer R., Savchenko M.L., Kvon Z.D., Mikhailov N.N., Dvoretsky S.A., Weiss D. // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116. № 16. P. 166802. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.166802
  14. Dorozhkin S.I., Kapustin A.A., Fedorov I.B., Umansky V., Smet J.H. // Phys. Rev. B. 2020. V. 102. № 23. P. 235307. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.102.235307
  15. Федоров И.Б., Дорожкин С.И., Капустин А.А. // Поверхность. Рентген. синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 11. С. 62. https://www.doi.org/10.31857/S1028096021110078
  16. Капустин А.А., Дорожкин С.И, Федоров И.Б., Уманский В., смет Ю.Х. // Письма в ЖЭТФ. 2019. Т. 110. № 6. С. 407. https://www.doi.org/10.1134/S0370274X19180103
  17. Девятов Э.В. Вертикальное и латеральное туннелирование в двумерных электронных системах и структурах на их основе: Дис. канд. ф.-м. наук: 01.04.07. Черноголовка: Институт Физики Твердого Тела РАН, 2000. 94 с.
  18. Dolgopolov V.T., Shashkin A.A., Deviatov E.V., Hastreiter F., Hartung M., Wixforth A., Campman K.L., Gossard A.C. // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. № 20. P. 13235. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.59.13235
  19. Долгополов В.Т., Шашкин А.А., Аристов А.В., Шмерек Д., Хансен В., Коттхаус Й.П., Холланд М. // УФН. 1998. Т. 168. № 2. С. 147. https://www.doi.org/10.3367/UFNr.0168.199802j.0147
  20. Ashoori R.C. The density of states in the two-dimensional electron gas and quantum dots: PhD thesis. Cornell University, 1991. 256 p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Нормированные на значение при νtot = 3⁄2 (отмечено вертикальным штрихом) зависимости магнетоемкости, измеренные в КЯ шириной w = 50 нм между электронной системой и передним (Cn,FG, темные линии), задним (Cn,BG, светлые линии) затворами, от обратного фактора заполнения , пропорционального магнитному полю B и соответствующего полной концентрации электронов. Все кривые получены при напряжении на переднем затворе VFG = 0, температуре T = 3 (сплошные кривые) и 0.5 К (пунктирные кривые), напряжении на заднем затворе VBG и соответствующей концентрации электронов в ближайшем слое nBL: VBG = 0.2 В, nBL = 0 (1); VBG = 1.2 В, nBL = 0.22×1011 см–2 (2); VBG = 1.8 В, nBL = 0.74×1011 см–2 (3); VBG = 2.4 В, nBL = 0.90×1011 см–2 (4). Отмечены области, в которых электронная система находится в двухслойном (2L) и “однослойном” (1L) состояниях; вертикальная штриховая линия отмечает границу этих областей вблизи νtot ≈ 2. Стрелками отмечены наиболее выраженные особенности нормированных магнетоемкостей в двухслойном состоянии (минимумы Cn,FG и соответствующие им максимумы Cn,BG).

Скачать (17KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Нормированные на значение при νtot = 3⁄2 (отмечено вертикальным штрихом) зависимости магнетоемкости, измеренные в КЯ шириной w = 60 нм между электронной системой и передним (Cn,FG, темные линии), задним (Cn,BG, светлые линии) затворами, от обратного фактора заполнения . Все кривые получены при напряжении на переднем затворе VFG = –0.2 В, температуре T = 1.5 К, напряжении на заднем затворе VBG и соответствующей концентрации электронов в ближайшем слое nBL: VBG = 0.8 В, nBL = 0.56×1011 см–2 (1); VBG = 1 В, nBL = 0.69×1011 см–2 (2). Отмечены области, в которых электронная система находится в двухслойном (2L) и “однослойном” (1L) состояниях; вертикальная штриховая линия отмечает границу этих областей вблизи νtot ≈ 2. Стрелками отмечены наиболее выраженные особенности нормированных магнетоемкостей в двухслойном состоянии (минимумы Cn,FG и соответствующие им максимумы Cn,BG). Треугольниками выделены минимумы, соответствующие несжимаемому состоянию в переднем слое электронов при заполненном подуровне Ландау vFL = 1.

Скачать (17KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость магнетоемкостей между электронной системой и передним (CFG, темные линии, слева); и задним (CBG, светлые линии, справа) затворами от обратного фактора заполнения в квантовой яме шириной w = 60 нм при T = 1.5 (сплошные кривые) и 0.5 К (пунктирные кривые). Кривые получены при напряжении на переднем затворе VFG = –0.2 В, напряжении на заднем затворе VBG = 0.8 В. Треугольниками отмечены минимумы CFG, соответствующие целочисленным факторам заполнения в переднем слое электронов vFL = 1; 2; 4 (на графике соответственно).

Скачать (13KB)
Метаданные

© Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук, 2024