Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 2, стр. 238-240

Одним из подтвержденных экспериментальных методов изучения объемных электронных состояний в режиме дробного квантового эффекта Холла (ДКЭХ) является резонансное отражение [1]. Именно в сигнале резонансного отражения впервые была обнаружена линия, связанная с состоянием ДКЭХ 1/3, отделенная спектрально от разрешенных одночастичных оптических переходов двумерной электронной системы (2D-ЭС) [2]. Однако этот метод в силу своей сложности не подходит для рутинных измерений 2D-ЭС в режиме ДКЭХ; использование же нерезонансного отражения невозможно в силу неконтролируемого фотоиндуцированного вклада в конечный результат измерений. Причина некорректности использования нерезонансной фотолюминесценции (ФЛ) состоит в том, что при возбуждении вклад в регистрируемый сигнал дают не только двухчастичные возбужденные состояния 2D-ЭС, для которых выполняются условия “скрытой симметрии”, но и трехчастичные состояния, для которых никаких симметрийных ограничений на спектральные характеристики сигнала нет [3]. В работе впервые применена методика резонансной фотолюминесценции (РФЛ) для исследования состояния ДКЭХ 1/3, что позволило избавиться от нежелательной фотолюминесценции трехчастичных комплексов. Показано, что в этом случае нарушения “скрытой симметрии” не наблюдается, однако амплитуда сигнала РФЛ в условиях формирования объемного состояния ДКЭХ 1/3 изменяется настолько сильно, что это изменение может служить индикатором этого дробного состояния.

Была использована гетероструктура c одиночной квантовой ямой GaAs/AlGaAs шириной 19 нм, с концентрацией электронов в двумерном канале 0.84 · 10¹¹ см^–2 и подвижностью более 3.5 · 10⁷ см² · В^–1 · с^–1. Гетероструктура помещались в откачиваемый резервуар с жидким ³He, который, в свою очередь, помещался в криостат со сверхпроводящим соленоидом. Оптические измерения проводились в диапазоне температур 0.45–4.2 К и в диапазоне магнитных полей 0–14 Тл с использованием двухсветоводной методики. Один световод служил для резонансного и нерезонансного возбуждения 2D-ЭС, а второй – для сбора сигнала ФЛ и РФЛ от образца и передачи сигнала на входную щель решеточного спектрометра, оборудованного охлаждаемой ПЗС камерой. Для резонансной накачки использовался полупроводниковый перестраиваемый узкополосный лазер “TOptica”, а для нерезонансной – широкополосный диод с длиной волны фотовозбуждения 780 нм.

При температуре бани 1.6 К принципиальной разницы в спектрах ФЛ и РФЛ не наблюдается. Спектр состоит из двух основных линий, соответствующих оптическим переходам с нулевого уровня Ландау зоны проводимости на нулевой уровень Ландау первой размерноквантованной зоны тяжелых дырок валентной зоны квантовой ямы (hh¹⁰ – e₀), а также слабой линии, связанной с переходом на нижайший по энергии спиновой подуровень подзоны легких дырок (lh¹⁰ – e₀) (рис. 1). Уменьшение температуры бани до 0.5 К приводит к появлению трех дополнительных особенностей в спектрах ФЛ непосредственно в области формирования ДКЭХ 1/3 (10.4 Тл). Новые линии не связаны с какими-либо одночастичными оптическими переходами в 2D-ЭС (рис. 1). Аналогичное уменьшение температуры в области больших магнитных полей, где состояние 1/3 уже не наблюдается, приводит к появлению шести новых спектральных особенностей, что делает интерпретацию связи спектров ФЛ с определенным состоянием ДКЭХ затруднительной (рис. 1).

Рис. 1.

Спектры нерезонансной фотолюминесценции 2D-ЭС, измеренные в двух магнитных полях при двух температурах 0.5 К (красные сплошные линии) и 1.6 К (черные сплошные линии). Стрелками указаны оптические переходы, не соответствующие каким либо разрешенным двухчастичным оптическим переходам в 2D-ЭС.

Основным экспериментальным результатом представленной работы является пороговое изменение интенсивностей линий РФЛ в условиях формирования ДКЭХ 1/3 при понижении температуры гелиевой бани (рис. 2). Если при температуре 1.6 К интенсивности линий переходов с нулевого уровня Ландау отражают заселенность электронных и дырочных уровней Учитывая, что практически все равновесные электроны при 0.5 К находятся на нижайшем уровне Ландау, получается парадоксальный результат: концентрация электронов на верхнем спиновом подуровне Ландау много меньше, чем на нижнем, сила осциллятора оптических переходов с нижнего спинового подуровня выше, чем с верхнего, а амплитуда РФЛ с верхнего спинового подуровня на порядок величины превышает амплитуду РФЛ с нижнего спинового подуровня. Наблюдаемый эффект имеет универсальный характер; т.е. не зависит от энергии используемого резонанса для фотовозбуждения РФЛ. Столь сильное увеличение амплитуды РФЛ может быть связано с формированием в двумерной системе неравновесного когерентного состояния из электронов на верхнем спиновом подуровне нулевого уровня Ландау. С использованием результатов точной численной диагонализации для описания основного и возбужденных состояний электронной системы на факторе заполнения 1/3 в духе работы [4], можно показать, что нижайшим по энергии возбужденным состоянием является не зарядовое возбуждение, как считалось до сих пор [5], а спиновое, причем в дисперсионной зависимости спинового возбуждения существует локальный (ротонный) минимум примерно на двух обратных магнитных длинах, в котором могут конденсироваться спиновые возбуждения. Однако, в не зависимости от физической природы наблюдаемой модификации спектра РФЛ, сама эта модификация служит экспериментальным маркером дробного состояния 1/3, а методика РФЛ может рассматриваться в качестве нового инструмента зондирования дробных состояний квантового эффекта Холла.

Рис. 2.

Спектры резонансной фотолюминесценции (РФЛ) в области формирования ДКЭХ 1/3 при двух температурах 0.5 К (красные сплошные линии) и 1.6 К (черные сплошные линии), измеренные при резонансном возбуждении оптического перехода из размерно-квантованной подзоны легких дырок. На вставке в логарифмическом масштабе показаны зависимости отношений амплитуд линий РФЛ для перехода с верхнего и нижнего спиновых подуровней нулевого уровня Ландау электронов от магнитного поля, измеренные при температурах 0.5 К (красные сплошные точки) и 1.6 К (черные сплошные точки).

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 20-02-00230).