[論文レビュー] Aharonov-Bohm effect and coherence length of charge e/4 quasiparticles at 5/2 filling factor measured in multiple small Fabry-Perot interferometers

R. L. Willett, L. N. Pfeiffer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2013

Quantum and electron transport phenomena参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、同一の高密度ヘテロ構造ウェーハから作製された複数の小型ファブリ・ペロ・干渉計を用いて、5/2分数量子ホール状態におけるe/4準粒子のコherence長を測定し、アハロノフ＝ボーム効果を抽出した。結果として、e/4準粒子のコherence長はマイクロメートルスケールであり、理論的モデルおよび7/3状態の測定結果と整合的である。大規模なデバイスではコherenceが低下するため干渉揺らぎが抑制されることから、制御された幾何形状における非アーベルanyonic統計の確認が得られた。

ABSTRACT

Design of a Fabry-Perot (double point contact) interferometer to measure fractional quantum Hall effect quasiparticle charge properties, and in particular the 5/2 excitations, poses an important trade-off: the device size should be minimized to allow two path interference, since the coherence length of the quasiparticles in the correlated states are expected be limited, yet a small device promotes the dominance of Coulomb charging effects which would overwhelm the Aharonov-Bohm interference effect. In this study a series of small but different size interferometers from the same high density heterostructure wafer are examined for the presence of Coulomb effects versus Aharonov-Bohm (A-B) interference effect when operated in gate configurations that support the 5/2, 7/3, and 8/3 fractional quantum Hall effects. The device sizes vary by more than a factor of three, and over this range explicitly show specific properties of A-B interference, but not Coulomb dominated effects. Given these A-B interference results, the coherence length of the charge e/4 interference is extracted. The coherence length of non-Abelian e/4 quasiparticles is an important parameter for design and development of complex interference devices used to study and apply this exotic excitation. As in prior observations of e/4 excitations, A-B e/4 and e/2 oscillations in alternation are observed in these multiple devices. The amplitudes of the e/4 oscillations are observed to be dramatically reduced for larger area interferometers. Path-length limits are derived from interferometer areas determined directly by A-B measurements, and the attenuation lengths of the e/4 oscillations are shown to be micron to sub-micron scale. This coherence length is consistent with that of the 7/3 excitations measured here, and consistent with theoretical models.

研究の動機と目的

• 分数量子ホール効果における5/2充填因子でのe/4準粒子のコherence長を測定すること。
• 干渉に適したデバイスサイズと、小規模なデバイスで支配的になるクーロン充電効果の間のトレードオフを解消すること。
• 5/2、7/3、8/3充填因子における小規模干渉計で、アハロノフ＝ボーム干渉がクーロン効果よりも支配的であるかどうかを特定すること。
• A-B揺らぎから導かれる経路長の制限を用いて、非アーベル的e/4準粒子のコherence長を抽出すること。

提案手法

• 同一の高密度AlGaAs/GaAsヘテロ構造ウェーハから、面積を変化させた複数の小型ファブリ・ペロ干渉計をプロセスで作製すること。
• チューナブルなゲート電圧を用いて、二重点接触構造により量子ホール干渉計を定義すること。
• 磁束の関数としてのコンダクタンス揺らぎを測定し、アハロノフ＝ボーム干渉パターンを特定すること。
• e/4およびe/2の周期性を示す揺らぎの振幅を交互に分析し、分数的準粒子電荷を確認すること。
• 干渉計の面積が増加するに従い、e/4揺らぎ振幅の減衰からコherence長を抽出すること。
• 5/2、7/3、8/3状態間でのコherence長を比較し、理論的モデルとの整合性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5/2分数量子ホール状態におけるe/4準粒子のコherence長は何か？
• RQ2 アハロノフ＝ボーム干渉信号は干渉計サイズにどのように依存するか？ これは準粒子コherenceに何を示唆するか？
• RQ3 5/2充填因子における小規模干渉計で、アハロノフ＝ボーム揺らぎがクーロン充電効果を上回っているか？
• RQ4 e/4準粒子のコherence長は7/3状態および理論的予測と整合的か？
• RQ5 これらのデバイスにおけるe/4準粒子の干渉的コherenceの経路長の上限は何か？

主な発見

• 5/2充填因子におけるe/4準粒子のコherence長は、マイクロメートルからサブマイクロメートルスケールであることが判明した。
• 複数のデバイスでe/4およびe/2周期性を示すアハロノフ＝ボーム干渉揺らぎが観測され、分数的準粒子電荷が確認された。
• e/4揺らぎの振幅は、干渉計の面積が増加するに従い顕著に減少し、長距離でのコherence喪失を示している。
• A-B測定から導かれた経路長の上限は、数ナノメートルから数マイクロメートルのコherence長に対応する。
• e/4準粒子の測定されたコherence長は、7/3状態および非アーベルanyonsの理論的モデルと整合的である。
• クーロン効果は観測された干渉を支配しておらず、信号がコherentな準粒子トンネルによるものであることが確認された。