[論文レビュー] Direct observation of anyonic braiding statistics at the $ν$=1/3 fractional quantum Hall state

James Nakamura, Shuang Liang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 75被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、低チャージングエネルギーを持つ電子的ファブリ・ペロ・干渉計を用いて、ν=1/3分数量子ホール状態における任意粒子のバーニング統計の最初の直接実験的観測を報告している。クーロンチャージング効果を抑えることで、アハロノフ・ボーム干渉振動における離散的位相スリップが観測され、これは任意粒子位相θ_anyon = 2π/3と整合的であり、2次元電子系における位相的励起粒子統計の強力な証拠を示している。

ABSTRACT

Utilizing an electronic Fabry-Perot interferometer in which Coulomb charging effects are suppressed, we report experimental observation of anyonic braiding statistics for the $ν=1/3$ fractional quantum Hall state. Strong Aharonov-Bohm interference of the $ν=1/3$ edge mode is punctuated by discrete phase slips consistent with an anyonic phase of $θ_{anyon}=\frac{2π}{3}$. Our results are consistent with a recent theory of a Fabry-Perot interferometer operated in a regime in which device charging energy is small compared to the energy of formation of charged quasiparticles. Close correspondence between device operation and theoretical predictions substantiates our claim of observation of anyonic braiding.

研究の動機と目的

• 従来は間接的に推測されてきたが、分数量子ホール状態における任意粒子のバーニング統計を直接観測すること。
• 従来の干渉計では任意粒子位相を隠すクーロンチャージング効果の課題を克服すること。
• 低チャージングエネルギーの領域において、干渉位相が静電的効果ではなく位相的任意粒子統計によって支配されることを示すこと。
• 2次元電子系における位相的保護励起粒子のバーニングの理論的予測を検証すること。

提案手法

• バックゲートおよびバイアス冷却技術を用いて、クーロンチャージングエネルギーを抑制した高品質なガリウムヒ素基盤の電子的ファブリ・ペロ干渉計をプロセスした。
• 量子ポイントコンタクト（QPC）を用いてエッジ状態を定義・制御し、閉じたループ内での励起粒子の干渉を可能にした。
• 磁場およびゲート電圧の関数としてのコンダクタンス振動を測定し、低周波数ロックイン技術を用いて干渉位相を抽出した。
• アハロノフ・ボーム振動における位相シフトを用いて任意粒子寄与を分離し、θ = 2π(e*/e)(AIB/Φ₀) + N_qpθ_anyonというモデルで記述した。
• 温度依存測定を実施し、位相の壊れのメカニズムを調査し、熱的崩壊スケールT₀を抽出した。
• 同一の2つのデバイスで結果を再現し、ゲート制御による励起粒子数の調整を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子的干渉計を用いて、ν=1/3分数量子ホール状態における任意粒子のバーニング統計を直接観測できるか？
• RQ2 クーロンチャージングエネルギーの抑制が、干渉測定における任意粒子位相寄与の可視性および安定性にどのように影響するか？
• RQ3 熱揺らぎが干渉信号の位相をどのように壊すか、および磁場および励起粒子数に依存してどのように変化するか？
• RQ4 観測された位相シフトが、ν=1/3状態の予測された任意粒子位相θ_anyon = 2π/3と一貫してスケーリングするか？
• RQ5 磁場の変化が一定填埋率状態と一定密度状態の間の遷移にどのように影響し、干渉挙動にどのような影響を及えるか？

主な発見

• アハロノフ・ボーム干渉振動における離散的位相ジャンプが観測され、これは任意粒子位相θ_anyon = 2π × (0.31 ± 0.04)と整合的であり、理論的予測である2π/3と非常に良好に一致している。
• ν=1/3状態の中心付近では、一定位相の直線が負の傾きを示しており、これは任意粒子統計が支配的であり、クーロン効果が抑制されていることを示している。
• 低および高磁場領域では、干渉位相はBにほぼ依存しなくなり、一定密度状態への遷移を示しており、励起粒子数の熱的スメアリングが顕著である。
• 位相の壊れを定量化する温度スケールT₀は、低および高磁場領域で強く抑制されており、励起粒子数の熱的スメアリングに起因する位相の壊れが増幅されていることを示している。
• 観測された挙動は、ローゼンハウゼンら（2019）の低チャージングエネルギー干渉計に関する理論的予測と一致しており、静電的効果よりも位相的任意粒子統計が支配的であることを確認している。
• 2番目のデバイスでも同様の結果が再現され、観測された任意粒子位相および位相の壊れ挙動の堅牢性と一貫性が確認された。