[論文レビュー] Coherence and Phase in an Electronic Mach-Zehnder Interferometer: An Unexpected Behavior of Interfering Electrons

Izhar Neder, Moty Heiblum+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2005

Quantum and electron transport phenomena参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、整数量子ホール効果下における半導体ベースの電子的マッハ・ツェンダーバイアス干渉計における電子干渉を調査した。強い磁場下でのエッジチャネルを用いて、著者らは予期しない「スティック・スリップ」的位相挙動とアハロノフ＝ボーム干渉振動におけるリブ状のモードを観測した。可視度は最大値とゼロを繰り返すが、リブ内では位相が一定であり、ゼロで急激に変化する—これは、磁場に敏感でありながらデバイスの幾何形状に無関係な、以前に説明されていなかったエネルギースケールを示している。

ABSTRACT

We report the observation of an unpredicted behavior of interfering 2D electrons in the integer quantum Hall effect (IQHE) regime via a utilization of an electronic analog of the well-known Mach-Zehnder interferometer (MZI). The beauty of this experiment lies in the simplicity of two path interference. Electrons that travel the two paths via edge channels, feel only the edge potential and the strong magnetic field; both typical in the IQHE regime. Yet, the interference of these electrons via the Aharonov-Bohm (AB) effect, behaves surprisingly in a most uncommon way. We found, at filling factors 1 and 2, high visibility interference oscillations, which were strongly modulated by a lobe-type structure as we increased the electron injection voltage. The visibility went through a few maxima and zeros in between, with the phase of the AB oscillations staying constant throughout each lobe and slipping abruptly by at each zero. The lobe pattern and the 'stick-slip' behavior of the phase were insensitive to details of the interferometer structure; but highly sensitive to magnetic field. The observed periodicity defines a 'new energy scale' with an unclear origin. The phase rigidity, on the other hand, is surprising since Onsager relations are not relevant here.

研究の動機と目的

• 整数量子ホール効果下における固体状態のマッハ・ツェンダーバイアス干渉計における干渉電子のコherently および位相挙動を調査すること。
• 電子干渉実験で観測された異常な干渉モードパターンの起源を理解すること。
• 観測された位相の剛性と可視度の振動が、根本的な多体効果かデバイス固有の詳細かを調査すること。
• 観測されたリブ構造と位相スリップが、ミクロスコピック量子系における新たなエネルギースケールを示しているかどうかを特定すること。

提案手法

• 高移動度のHEMTヘテロ構造を用いて、エッジチャネルに電子を閉じ込める電子的マッハ・ツェンダーバイアス干渉計をプロトタイプ化した。
• 電子は量子ポイントコンタクトを介して注入され、強い垂直磁場下でのエッジ状態によって定義された二つの異なる経路を伝播した。
• 磁束の関数としてアハロノフ＝ボーム振動を測定し、ゲート電圧による電子注入エネルギーを調整した。
• 可視度と干渉振動の位相を、さまざまな磁場と注入電圧の下で測定した。
• 磁場と注入電圧を体系的に変化させることで、可視度のリブ状のモードと、可視度ゼロにおける急激な位相スリップを明らかにした。
• 観測された特徴の頑健性を検証するため、異なるデバイスの幾何形状で実験を繰り返した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元電子系における干渉可視度の振動が、電子注入エネルギーの関数としてなぜリブ状のモードを示すのか？
• RQ2 各リブ内で位相が一定であり、可視度の最小値でなぜ急激にπだけスリップするのか？
• RQ3 観測されたリブ構造の周期性がなぜデバイスの幾何形状に依存せず、磁場に強く依存するのか？
• RQ4 リブ周期性によって定義される新たなエネルギースケールの物理的起源は何か？
• RQ5 この系ではオンサガー関係が成立しないにもかかわらず、なぜ位相の剛性が維持されるのか？

主な発見

• 干渉可視度は、電子注入電圧の関数として複数の最大値とゼロを示し、明確なリブ状のモードパターンを形成した。
• 各リブ内では、アハロノフ＝ボーム振動の位相が一定であり、注入エネルギーの範囲で位相の剛性が示された。
• 可視度の最小値で位相が急激にπ分スリップした。これは、急激なジャンプが特徴的であるため「スティック・スリップ」と呼ばれる。
• リブ周期性によって定義される新たなエネルギースケールは、デバイスの幾何形状に依存せず、磁場に強く依存した。
• 位相の剛性とリブ構造は、干渉計の設計変更に対しても頑健であったため、根本的な多体効果またはトポロジカルな起源である可能性が示唆された。
• 観測された挙動は、従来の電子輸送モデルやオンサガー対称性の原則では説明できず、新しい量子現象であることが示された。