[論文レビュー] Quantum Hall effect in InAsSb quantum wells at elevated temperatures

M. E. Bal, Erik Cheah+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、低い有効質量（m* ≈ 0.022me）と強いスピン軌道結合のおかげで、高移動度のInAsSb量子井戸において60 Kまで量子ホール効果（QHE）の観測を実証した。温度依存のシュビニコフ＝ド・ヘース振動、遠赤外透過率、傾けた磁場を用いた磁電気輸送の測定により、高いスピン偏極下でg* = 60にまで増幅されたg因子が抽出された。k·p計算により電子的性質が裏付けられ、III-V合金で室温QHEを実現する道筋が示唆された。

ABSTRACT

We have characterized the electronic properties of a high-mobility two-dimensional electron system in modulation doped InAsSb quantum wells and compare them to InSb quantum wells grown in a similar fashion. Using temperature-dependent Shubnikov-de Haas experiments as well as FIR transmission we find an effective mass of $m^{\ast} \approx$ 0.022$m_{e}$, which is lower than in the investigated InSb quantum well, but due to a rather strong confinement still higher than in the corresponding bulk compound. The effective $g$-factor was determined to be $g^{\ast} \approx$ 21.9. These results are also corroborated by $k \cdot p$ band structure calculations. When spin polarizing the electrons in a tilted magnetic field, the $g$-factor is significantly enhanced by electron-electron interactions, reaching a value as large as $g^{\ast}$ = 60 at a spin polarization P = 0.75. Finally, we show that due to the low effective mass the quantum Hall effect in our particular sample can be observed up to a temperature of 60 K and we propose scenarios how to increase this temperature even further.

研究の動機と目的

• 高移動度のInAsSb量子井戸の電子的性質を調査し、潜在的な高温量子ホール効果（QHE）応用を検討すること。
• 類似条件で成長されたInSb量子井戸と比較して、InAsSb量子井戸の電子的挙動を検討すること。
• 輸送および分光的手法を用いて有効質量とg因子を特定すること。
• 高いスピン偏極下における相互作用駆動によるg因子の増幅を調査すること。
• QHE転移温度を60 Kを超えるように高めるための材料工学的戦略を同定すること。

提案手法

• 量子振動の振幅の温度依存性から有効質量を抽出するため、温度依存のシュビニコフ＝ド・ヘース（SdH）振動測定を実施する。
• 有効質量の妥当性を検証し、サイクロトロン共鳴をプローブするため、遠赤外（FIR）透過分光法を実施する。
• スピン偏極を誘発するため傾けた磁場を適用し、SdH振動におけるゼーマン分裂からg因子を抽出する。
• 測定された有効質量およびg因子の値を裏付けるために、k·pバンド構造計算を用いる。
• σxx(T)データからの活性化エネルギーを分析し、エネルギーギャップとQHEの安定温度を特定する。
• 干渉を低減するため、斜面加工された裏面を有する未処理ウェーハを用いて、33 Tの磁場を用いたフーリエ変換赤外（FT-IR）分光法によるFIR透過率測定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 InAsSb量子井戸内の二次元電子系の有効質量は何か？ また、InSbと比較してどう異なるか？
• RQ2 高いスピン偏極下で、電子間相互作用がg因子にどの程度増幅効果を及ぼすか？
• RQ3 このInAsSb系で量子ホール効果が観測可能な最大温度は何か？
• RQ4 測定された電子的性質は、k·pバンド構造理論の予測とどの程度一致するか？
• RQ5 QHE転移温度をさらに上昇させるために、どのような材料パラメータや構造的設計が有効か？

主な発見

• InAsSb量子井戸内の有効質量は m* ≈ 0.022me であり、バルクInSbよりは低いが、バルクInAsSbよりは高い。これは強い閉じ込め効果に起因する。
• 電子相互作用がない状態ではg因子は g* ≈ 21.9 に測定され、k·p計算と整合的である。
• 高いスピン偏極（P = 0.75）下では、電子間相互作用のおかげでg因子は g* = 60 に増幅され、強い相関効果が示唆される。
• 量子ホール効果は60 Kまで観測可能であり、これは一般的な2次元系と比較して顕著に高い温度である。これは低有効質量に起因する。
• σxx(T)のフィットから抽出された活性化エネルギーは、安定なQHE状態を示しており、QHEはT ≈ 60 Kで消失することが示された。
• バンド構造の最適化と不純物の低減をさらに進めるならば、QHE転移温度を室温に近づける可能性がある。