[論文レビュー] Josephson-like tunnel resonance and large Coulomb drag in GaAs-based electron-hole bilayers

M. L. Davis, S. Parolo+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、10 nmのAlGaAsバリアを有するGaAsベースの電子-ホール二重量子井戸において、ミリケルビン温度下での電気ドーピングにより、ジョセフソン的トンネル共鳴および大きなクーロンドラッグを実現した。2次元キャリア密度が1.1×10¹⁰ cm⁻²に近づくと、鋭いトンネル電導度ピークと増大した圧縮率が、励起子的ボーズ＝アインシュタイン凝縮への相転移を示唆する。一方、最大20 Ωに達する大きなドライブ抵抗率は、モット転移付近における強い層間相関を確認する。

ABSTRACT

Bilayers consisting of two-dimensional (2D) electron and hole gases separated by a 10 nm thick AlGaAs barrier are formed by charge accumulation in epitaxially grown GaAs. Both vertical and lateral electric transport are measured in the millikelvin temperature range. The conductivity between the layers shows a sharp tunnel resonance at a density of $1.1 \cdot 10^{10} ext{ cm}^{-2}$, which is consistent with a Josephson-like enhanced tunnel conductance. The tunnel resonance disappears with increasing densities and the two 2D charge gases start to show 2D-Fermi-gas behavior. Interlayer interactions persist causing a positive drag voltage that is very large at small densities. The transition from the Josephson-like tunnel resonance to the Fermi-gas behavior is interpreted as a phase transition from an exciton gas in the Bose-Einstein-condensate state to a degenerate electron-hole Fermi gas.

研究の動機と目的

• 光学励起を用いず、GaAsベースの電子-ホール二重量子井戸における励起子的ボーズ＝アインシュタイン凝縮（BEC）の存在を調査すること。
• モット転移を境に、励起子ガスのBEC状態と縮退した電子-ホールフェルミガスとの間の転移を調査すること。
• 垂直トンネル電導度および横方向クーロンドラッグを測定し、層間相関の秩序ある結合の兆候を同定すること。
• 高精度な輸送および容量測定を用いて、モット転移付近における層間相互作用および圧縮率の役割を特定すること。

提案手法

• 分子線エpitaxyを用いて、10 nmのAl₀.₈Ga₀.₂Asバリアを有する高移動度GaAsベースのヘテロ構造を作製した。
• ピラー型およびクロス型デバイスを用い、20 mKで層間トンネル電導度および横方向クーロンドラッグを測定した。
• 283 Hzのロックイン技術を用いて、DCおよびAC電圧バイアスを印加し、トンネル電導度および容量を抽出した。
• 線形ネットワークモデルを用いてドーピング層の抵抗を補正し、内在的なドライブ抵抗率を抽出した。
• 電気的制御により2次元キャリア密度を1×10¹⁰ cm⁻²まで低下させ、BECおよびフェルミガス領域にアクセスした。
• 60 mKにおける2次元フェルミガスの理論予測を用いてドライブ抵抗率をモデル化し、層間距離に合わせて調整した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温度・低キャリア密度下で、GaAsベースの電子-ホール二重量子井戸にジョセフソン的トンネル共鳴が現れるか？
• RQ2 モット転移付近で層間電導度および圧縮率に顕著な増大が観測され、励起子的BECの兆候となるか？
• RQ3 クーロンドラッグ抵抗率はモット転移を越えてどのように変化するか。また、非相互作用フェルミガスの理論予測を上回るか？
• RQ4 低個々の層の電導度にもかかわらず、層間相互作用が大きなドライブ電圧を維持する役割を果たすか？

主な発見

• キャリア密度が1.1×10¹⁰ cm⁻²で鋭いトンネル電導度共鳴が観測され、励起子的BECにおけるジョセフソン的増幅トンネルの一致を示した。
• 容量が1.525 Vで段階的に増加し、圧縮率の増大と、有効な層間距離の減少を示す励起子状態への転移を示した。
• 内在的クーロンドラッグ抵抗率は、密度が約1.5×10¹⁰ cm⁻²で最大20 Ωに達し、非相互作用フェルミガスの理論予測を著しく上回った。
• トンネル共鳴とドライブ抵抗率の最大値が同一の密度で一致し、共通の起源として励起子的BEC相であることを示した。
• 低密度領域では2次元層の電導度が低下するため、ドライブ抵抗率は減少し、さらなる測定が制限された。
• 観測された挙動は、モット転移を境に励起子ガスのBEC状態から縮退した電子-ホールフェルミガスへの相転移と整合的である。