[論文レビュー] Interferometric measurement of filling factor 5/2 quasiparticle charge

R. L. Willett, Michael J. Manfra+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2008

Quantum and electron transport phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、5/2の分数量子ホール状態における準粒子電荷を測定するために、量子ホールエッジ状態干渉計が用いられている。整数および分数の填埋率でキャリブレーションすることで、最低温度においてe/4と予期せずe/2の電荷に対応する周期的透過振動が観測された。これは、e/2準粒子またはe/4準粒子の複数回のブレードを示唆し、トポロジカル量子計算における非アーベル統計に影響を及ぼす。

ABSTRACT

A standing problem in low dimensional electron systems is the nature of the 5/2 fractional quantum Hall state: its elementary excitations are a focus for both elucidating the state's properties and as candidates in methods to perform topological quantum computation. Interferometric devices may be employed to manipulate and measure quantum Hall edge excitations. Here we use a small area edge state interferometer designed to observe quasiparticle interference effects. Oscillations consistent in detail with the Aharanov-Bohm effect are observed for integer and fractional quantum Hall states (filling factors 2, 5/3, and 7/3) with periods corresponding to their respective charges and magnetic field positions. With these as charge calibrations, at 5/2 filling factor and at lowest temperatures periodic transmission through the device consistent with quasiparticle charge e/4 is observed. The principal finding of this work is that in addtion to these e/4 oscillations, periodic structures corresponding to e/2 are also observed at 5/2 and at lowest temperatures. Properties of the e/4 and e/2 oscillations are examined with the device sensitivity sufficient to observe temperature evolution of the 5/2 quasiparticle interference. In the model of quasiparticle interference, this presence of an effective e/2 period may empirically reflect an e/2 quasiparticle charge, or may reflect multiple passes of the e/4 quasiparticle around the interferometer. These results are discussed within a picture of e/4 quasiparticle excitations potentially possessing non-Abelian statistics. These studies demonstrate the capacity to perform interferometry on 5/2 excitations and reveal properties important for understanding this state and its excitations.

研究の動機と目的

• 干渉計的手法を用いて、5/2の分数量子ホール状態における準粒子電荷を特定すること。
• 整数および分数の填埋率（2、5/3、7/3）における既知の準粒子電荷を用いて干渉計をキャリブレーションすること。
• 低温度条件下における5/2填埋率での準粒子干渉の性質を調査すること。
• 観測された振動におけるe/4およびe/2準粒子寄与を区別すること。
• 得られた結果が、5/2準粒子の非アーベル統計に与える意味を評価すること。

提案手法

• 量子ホールエッジ励起状態を調べるため、小面積のエッジ状態干渉計が作製された。
• アハラノフ＝ボーム効果を用いて、整数および分数填埋率（2、5/3、7/3）で準粒子電荷をキャリブレーションするため、干渉計の振動が測定された。
• 磁場および温度を精密に制御しながら、5/2填埋率で干渉計を動作させた。
• 透過振動を磁場関数として記録し、周期性を抽出して準粒子電荷を推定した。
• 温度依存測定を実施し、干渉パターンの変化を研究した。
• 理論的モデルを用いて、データにおけるe/4およびe/2周期性の共存を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 干渉計による測定で、5/2の分数量子ホール状態における準粒子電荷は何か？
• RQ2 なぜ5/2填埋率でe/4振動と併せてe/2周期性の振動が観測されるのか？
• RQ3 温度変化は、5/2における準粒子干渉の可視性および周期性にどのように影響するか？
• RQ4 観測されたe/2周期性は、e/4準粒子の複数回のブレードによるものか、それとも固有のe/2準粒子によるものか？
• RQ5 干渉パターンは、5/2準粒子の非アーベル統計について何を示唆するか？

主な発見

• 理論的予測と整合的であり、5/2填埋率でe/4電荷に対応する周期的透過振動が観測された。
• e/4振動に加えて、最低温度でe/2周期性の周期的構造も観測された。
• e/4およびe/2振動は共存しており、温度依存的であり、低温で可視性が向上した。
• e/2周期性の存在は、e/2準粒子の存在またはe/4準粒子が干渉計を複数回回るブレードを示す可能性を示している。
• 結果は、5/2状態におけるe/4準粒子励起が存在し、非アーベル統計を示す可能性を支持する。
• 干渉計は、準粒子干渉の温度依存的変化を解像できるほど十分な感度を示し、anyon統計の詳細な研究が可能になった。