[論文レビュー] Drift plasma instability near the edge as the origin of the microwave-induced zero-resistance states

S. A. Mikhaǐlov|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2003

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、高移動度2次元電子系におけるマイクロ波誘発ゼロ抵抗状態が、体積的メカニズムではなく、マイクロ波照射下で試料端縁付近に発達するドリフトプラズマ不安定性に起因すると提案する。この不安定性は、マイクロ波増幅された電子ドリフトと散乱抑制によって駆動され、巨視的な電流再分配を引き起こし、観測された抵抗最小値、出力電力、温度、磁場、周波数依存性を説明する。これは、過去の低移動度実験では同様の効果が観測されなかったというパラドックスを解消する。

ABSTRACT

We discuss a possible origin of the recently discovered microwave-induced zero-resistance states in very-high-electron-mobility two-dimensional electron systems. We suggest a scenario, in which two mechanisms, bulk and edge, contribute to the measured photosignal. Zero-resistance states are assumed to be due to a drift plasma instability, developing {\em near the edge} of the system under the microwave radiation. The proposed scheme qualitatively agrees with the microwave power, temperature, frequency, magnetic field, and mobility dependencies of the measured photosignal.

研究の動機と目的

• 同じ条件下で過去の実験とは矛盾する、高移動度2次元電子系における最近観測されたマイクロ波誘発ゼロ抵抗状態を説明すること。
• 同様の実験的パラメータのもとで高移動度試料では磁気プラズモン共鳴が観測されない理由というパラドックスを解明すること。
• 体積効果ではなく端縁局在の不安定性に基づくメカニズムを提案し、マイクロ波出力電力、温度、磁場、周波数、電子移動度の観測依存性と整合すること。
• 不安定性領域の幾何学的構造を通じて、抵抗最小値／最大値の位置における $j \pm 1/4$ の法則を一貫した物理的枠組みで説明すること。

提案手法

• 簡略化された緩和時間近似を用いた古典的ボルツマン方程式を用いて、マイクロ波駆動下の電子分布をモデル化する。
• 電子分布関数の線形化安定性解析を用いて、試料端縁付近でのドリフトプラズマ不安定性の成長率を分析する。
• 誘電関数の条件 $\epsilon(q,\omega) < 0$ を導出し、密度波の指数的増幅が生じる条件を示す。
• マイクロ波出力電力、温度、磁場、電子移動度に依存する不安定性成長率を、観測可能な光応答と関連付ける。
• 不安定性の周波数および磁場依存性を、実験的 $R_{xx}$ 最小値と比較し、特に $\omega \approx j\omega_c \pm \omega_c/4$ の点で一致を確認する。
• 測定信号の2つの寄与を区別する：弱い体積的磁気プラズモン共鳴と、支配的な端縁駆動型不安定性であり、高移動度試料における前者の抑制を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜマイクロ波誘発ゼロ抵抗状態は高移動度2次元電子系にのみ現れ、同様の低移動度試料では観測されないのか？
• RQ2 なぜ高移動度試料では $q \sim 1/w$ 付近に磁気プラズモン共鳴が観測されないのか、低移動度試料では存在するという点をどのように説明できるか？
• RQ3 抵抗最小値の $j \pm 1/4$ の法則を、一貫した物理的枠組み内でどのように説明できるか？
• RQ4 試料の端縁が負の光伝導度およびゼロ抵抗状態の出現に果たす役割は何か？
• RQ5 なぜ高移動度系では、磁気プラズモン周波数ではなくサイクロトロン周波数の高調波が支配的な光応答を示すのか？

主な発見

• マイクロ波増幅された電子ドリフトと低散乱率によって駆動される端縁付近のドリフトプラズマ不安定性が、観測されたゼロ抵抗状態のメカニズムを提供する。
• 不安定性の成長率は、マイクロ波出力電力、温度、磁場、周波数、電子移動度に強く依存し、実験的依存性と定性的に整合する。
• 不安定性条件 $\epsilon(q,\omega) < 0$ が、抵抗最小値が現れる磁場および周波数の区間を決定し、$ \omega/\omega_c$ における $j \pm 1/4$ の法則と整合的である。
• 高移動度試料における体積的磁気プラズモン共鳴の抑制は、弱い体積応答に比べて支配的になる端縁駆動型不安定性によって説明できる。
• モデルはホール抵抗の変化の欠如と、縦方向抵抗最小値の排他的な観測を実験データと整合させる。
• 本モデルは、古くからの（Vasiliadou et al., 1993）と新しい（Mani et al., 2002; Zudov et al., 2003）実験の矛盾を、高移動度系でのみ端縁不安定性が出現することに起因するとすることで解消する。