[論文レビュー] Current oscillations in a superlattice under non-quantizing electric and magnetic fields

G. М. Shmelev, É. M. Épshteǐn+1 more|ArXiv.org|May 21, 2009

Theoretical and Computational Physics参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、コルビーノ幾何学における非量子化電場および磁場が交差する条件下で、放物型ミニバンドを有する半導体スーパーラティス内の電流振動を調査する。準古典的アプローチを用いて電流密度を導出し、電流-電圧曲線が磁場に比例する周期を示し、負の絶対電導度領域およびアンペア・ガウス曲線におけるオーバーシュートを含むが、温度上昇に伴いこれらすべての特徴がぼやけることを示した。

ABSTRACT

We calculate the current density in a semiconductor superlattice with parabolic miniband under crossed non-quantizing electric and magnetic fields. The Corbino disk geometry is considered. The current-voltage curve contains oscillations with period proportional to the magnetic field. The possibility is shown of the negative absolute conductivity. The Ampere-Gauss characteristics also contain overshoots under high enough electric fields. In all cases, the peaks smear with temperature rising.

研究の動機と目的

• 放物型ミニバンドを有する半導体スーパーラティスにおける非線形磁気輸送を分析すること。
• 電場がスーパーラティス軸に平行で磁場が垂直であるコルビーノ幾何学における電流-電圧（CVC）およびアンペア・ガウス特性を調査すること。
• このような系において負の絶対電導度および電流オーバーシュートが生じる条件を特定すること。
• 振動的特徴の温度依存性、特に温度上昇に伴うピークの広がりを検討すること。

提案手法

• 平面内および軸方向の準運動量の関数として放物型ミニバンド内の電子エネルギーを定式化し、切断された放物型分散則を用いる。
• 次元なし変数を用いて動的を簡略化するため、交差するEおよびB場下での電子の運動方程式を適用する。
• 定常な緩和時間τを仮定し、非デギenerate電子系を仮定する準古典的近似を用いる。
• 初期運動量分布にマクスウェル＝ボルツマン分布を用い、チェンバーズの方法を適用して電流密度を積分計算する。
• ヘヴィサイドのステップ関数およびデルタ関数を用いて周期的電流変調を記述する解析的表現を、絶対零度での電流密度について導出する。
• 温度依存の正規化を施した平衡分布関数を用いて、有限温度における電流密度を数値的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 交差する非量子化電場および磁場は、放物型ミニバンドを有するスーパーラティスにおける電流-電圧特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 この系において磁場の存在下で電流振動が生じる原因とその周期性は何か？
• RQ3 電流-電圧曲線に負の絶対電導度が現れる条件は何か？
• RQ4 アンペア・ガウス特性におけるオーバーシュートはどのように生じるのか？また、電場および磁場の強さにどのように依存するか？
• RQ5 温度上昇は、電流振動およびピークの可視性や構造にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 電流-電圧曲線は、次元なし単位では周期Δ(E) = 2ω、次元単位ではΔ(E) = 2πℏ/(ed)ωを示し、磁場強度に比例する周期的振動を示す。
• 電流が電圧の増加に伴い減少する領域、特に特定の磁場値および電場範囲において、負の絶対電導度が観測される。
• 電場E_N = 2ω(N + 1/2)（N = 0, 1, ...）において、アンペア・ガウス特性にオーバーシュートが現れ、非単調な電流応答を示す。
• 温度上昇に伴い、振動ピークはぼやけ、弱体化する。T = 0.1, 0.2, 0.5（次元なし単位）における数値シミュレーションで示された。
• T = 1（次元なし単位）は約230 Kに対応し、ピークは顕著に広がっており、量子的特徴の強い熱的抑制を示している。
• 絶対零度における解析的解は、不連続なジャンプと、速度関数の鋸歯状フーリエ展開に起因する振動を有する多N型電流-電圧特性を明らかにしている。