1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 86, № 4, 2022

Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 4, стр. 473-475

Лафлиновские неравновесные ансамбли энионных комплексов

Л. В. Кулик 1, 2, *, Л. И. Мусина 1, Е. И. Белозеров 1, 2, А. А. Загитова 1, В. А. Кузнецов 2

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук
Черноголовка, Россия

2 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”
Москва, Россия

* E-mail: kulik@issp.ac.ru

Поступила в редакцию 15.11.2021
После доработки 06.12.2021
Принята к публикации 22.12.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Двумерные электронные системы в квантующем магнитном поле представляют исключительный интерес с точки зрения вовлечения квазичастиц с не бозевской и не фермиевской статистикой (энионной), в область прикладных физических задач. Дробные состояния квантового эффекта Холла являются единственными на сегодняшний день экспериментально реализованными кандидатами на роль системы квазичастиц с энионной статистикой. Для выяснения статистических и термодинамических свойств энионных систем, а также пригодности энионов для решения технологических задач созданы макроскопические неравновесные ансамбли нейтральных возбуждений в ДКЭХ 1/3. Оказалось, что эти ансамбли имеют столь длинные времена релаксации, что их можно рассматривать, как новые квазиравновесные состояния энионной материи.

ВВЕДЕНИЕ

Фундаментальные работы [1, 2] по экспериментальному обнаружению квазичастиц, подчиняющихся энионной статистике в состоянии дробного квантового эффекта Холла (ДКЭХ) 1/3, открыли принципиально новые перспективы для технологических применений энионов. Следует заметить, что экспериментальные проявления энионной статистики продемонстрированы в транспортных экспериментах в условиях дробного Холловского изолятора 1/3, когда объемные квазичастицы, для которых предсказаны нетривиальные статистические свойства, не вносят вклад в проводимость. Именно поэтому, необходимо отдельно рассматривать связь между транспортными характеристиками дробных краевых состояний и объемных заряженных квазичастиц, что, само по себе, не является тривиальной задачей [3, 4]. Представления о нейтральных возбуждениях в энионной материи, не активных в транспортных экспериментах, еще более ограничены. Теоретические предсказания о дисперсии магнито-ротонов в рамках одномодового приближения [5, 6] нашли качественное и количественное подтверждение в экспериментах по микроволновому поглощению для ряда состояний ДКЭХ с нарушенной трансляционной симметрией [7], однако сделать какие-либо выводы о статистических свойствах магнито-ротонов из этих экспериментов не представляется возможным ввиду того, что подобные возбуждения имеют короткие времена жизни [7], что, естественно, не оставляет возможностей для экспериментальных манипуляций с макроскопическими ансамблями этих возбуждений.

Рецепт приготовления неравновесных ансамблей магнито-ротонов в двумерных системах при стационарном возбуждении электронной системы фотонами определенного энергетического диапазона был разработан для целочисленных Холловских изоляторов [8]. Оказывается, что можно сформировать неравновесный макроскопический ансамбль нейтральных возбуждений только в тех состояниях КЭХ, для которых выполняются определенные требования к физическим характеристикам электронной системы. Необходимо, чтобы нижайшими по энергии были нейтральные возбуждения с изменением полного спина электронной системы, в дисперсионной зависимости которых присутствует ротонный минимум. В этом случае неравновесные ансамбли возбуждений формируются вследствие существенного замедления релаксационных процессов с переворотом спина возбужденного электрона и отдачей большого импульса [8].

УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для формирования неравновесного ансамбля нейтральных возбуждений со спином 1 в ДКЭХ 1/3 была выбрана квантовая яма шириной 18 нм с электронной концентрацией 8.4 ∙ 1010 см–2 (магнитное поле Лафлиновского состояния 1/3 составляет приблизительно 10.2 Тл). Подвижность электронной системы была на уровне 3.5 ∙ 106 см2/В ∙ с, что оказалось вполне достаточным для наблюдения квантования холловской проводимости на факторе заполнения 1/3 при температуре 0.5 К [9]. Исследуемый образец помещался в криостат с откачкой паров He3, обеспечивающий минимальную температуру образца 0.45 К и магнитное поле до 14 Тл. Возбуждение электронной системы осуществлялось двумя перестраиваемыми непрерывными лазерными источниками, причем излучение первого источника могло быть модулировано внешним механическим затвором. В качестве основных экспериментальных методик использовались фотолюминесценция, фотовозбуждение и фотоиндуцированное резонансное отражение.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

С помощью методики фотолюминесценции был сформирован ансамбль нейтральных возбуждений в ДКЭХ 1/3. При возбуждении электронной системы фотон с определенной энергией поглощается в квантовой яме, в результате чего электрон из валентной зоны переходит на верхний спиновой подуровень нулевого уровня Ландау зоны проводимости. Фотовозбужденная дырка из-за сильного спин-орбитального взаимодействия в валентной зоне GaAs быстро релаксирует на нижайший спиновой подуровень подзоны тяжелых дырок за время около 100 пс. Поскольку в электронной системе при низкой температуре равновесно заполнен только нижайший спиновой подуровень, рекомбинация фотовозбужденной дырки с равновесным электроном приводит к тому, что в электронной системе формируется нейтральное возбуждение со спином 1, состоящее из фотовозбужденного электрона на верхнем спиновом подуровне Ландау и дырки на нижнем. Во всех оптических процессах продольный импульс фотона выбирался равным нулю, поэтому в электронной системе возможны два типа нейтральных возбуждений с единичным спином – спиновой экситон и спиновой “магнито-гравитон” [10]. При этом, наиболее вероятными кандидатами на формирование неравновесного ансамбля нейтральных возбуждений выступают спиновые “магнито-гравитоны” с нулевым импульсом.

Рис. 1.

Зависимость амплитуды сигнала фотоиндуцированного резонансного отражения (PRR) от времени после выключении формирующего возбуждения в электронной системе источника излучения.

Статистические свойства и времена релаксации возбуждений были исследованы методикой фотоиндуцированного резонансного отражения (фотоиндуцированного упругого рассеяния света). Сигнал стандартного фотоиндуцированного резонансного отражения в присутствии неравновесного макроскопического ансамбля нейтральных возбуждений имеет отрицательный знак, что демонстрирует заполнение фазового пространства на верхнем спиновом подуровне Ландау, когда там появляются электроны, входящие в возбуждения. Заполнение фазового пространства, в свою очередь, приводит к уменьшению вероятности перевести электрон из валентной зоны на верхний спиновой подуровень нулевого уровня Ландау зоны проводимости. Соответственно, глубина провала сигнала рассеяния в зависимости от энергии возбуждающего фотона характеризует эффективность накачки возбуждений фотонами от первого источника излучения. Заметим, что амплитуда рассеяния в стандартном канале ничего не говорит о статистике возбуждений.

Помимо стандартного канала упругого рассеяния света в спектре резонансного отражения появляется дополнительный канал рассеяния, сигнал в котором не падает, а возрастает с увеличением количества нейтральных возбуждений в электронной системе. Его энергия превышает минимальную энергию рождения электрон-дырочной пары, состоящей из электрона на верхнем спиновом подуровне Ландау и валентной дырки (основного канала упругого рассеяния света) на величину близкую к расчетной энергии спинового “магнито-гравитона” с нулевым импульсом. Амплитуда рассеяния в этом канале возрастает почти на порядок величины с увеличением числа возбуждений в электронной системе. Таким образом, вероятность рассеяться фотону назад оказывается тем больше, чем больше неравновесных возбуждений уже имеется в электронной системе, что является отличительным свойством бозевской статистики возбуждений [11].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Время затухания сигнала резонансного отражения (время ухода возбуждений из начального состояния) превышает 10 с, что является абсолютным рекордом для известных на сегодняшний день времен релаксации неравновесных возбуждений в условиях КЭХ и ДКЭХ [8]. Столь длинные времена релаксации ансамбля возбуждений позволяют говорить о формировании сверх-долгоживущего (квазиравновесного) состояния электронной материи – конденсата спиновых нейтральных энионных комплексов. Представленная в статье экспериментальная реализация этого конденсата открывает интересные возможности непосредственной манипуляции квазичастицами этого экзотического состояния материи в режиме реального времени и проверки теоретических предсказаний, сделанных в работах [12].

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-02-00230). В.А. Кузнецов благодарит за возможность проводить исследовательские работы в центре коллективного пользования ВШЭ (Российский фонд фундаментальных исследований; проект № 19-32-90192).

Список литературы

  1. Bartolomei H., Kumar M., Bisognin R. et al. // Science 2020. V. 368. P. 173.

  2. Nakamura J., Liang S., Gardner G.C., Manfra M.J. // Nature Phys. 2020. V. 16. P. 931.

  3. Wen X.G. // Mod. Phys. Lett. B. 1991. V. 5. P. 31.

  4. Lerda A. Anyons: quantum mechanics of particles with fractional statistics. Berlin: Springer-Verlag, 1992.

  5. Girvin S.M., MacDonald A.H., Platzman P.M. // Phys. Rev. Lett. 1985. V. 54. P. 581.

  6. Girvin S.M., MacDonald A.H., Platzman P.M. // Phys. Rev. B. 1986. V. 33. P. 2481.

  7. Kukushkin I.V., Smet J.H., Scarola V.W. et al. // Science. 2009. V. 324. P. 1044.

  8. Kulik L.V., Zhuravlev A.S., Dickmann S. et al. // Nature Commun. 2016. V. 7. Art. No. 13499.

  9. Кулик Л.В., Журавлев А.С., Белозеров E.И. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2020. V. 112. P. 516.

  10. Haldane F.D.M. // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. Art. No. 116801 (20).

  11. Inouye S., Chikkatur A.P., Stamper-Kurn D.M. et al. // Science. 1999. V. 285. P. 571.

  12. Apalkov V.M., Pikus F.G., Rashba E.I. // Phys. Rev. B. 1995. V. 52. P. 6111.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал