[論文レビュー] Quasi-quantized Hall response in bulk InAs

R. Wawrzyńczak, Stanisław Gałeski+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 27被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、3次元等方的半導体であるn型InAsにおいて、強磁場下でのLandau準位の量子化に起因する、導電度量子単位で表した√(2/3)kFに比例するプラトー様特徴を観測することで、体積内に存在する3次元等方的半導体であるn型InAsにおいて準量子化されたホール応答を実証した。理論的モデルによる固定化学ポテンシャルの仮定により、この現象は3次元準量子化ホール効果が低キャリア密度の3次元系において一般的に現れる現象であることを確認した。

ABSTRACT

The quasi-quantized Hall effect (QQHE) is the three-dimensional (3D) counterpart of the integer quantum Hall effect (QHE),exhibited only by two-dimensional (2D) electron systems. It has recently been observed in layered materials, consisting of stacks of weakly coupled 2D platelets that are yet characterized by a 3D anisotropic Fermi surface. However, it is predicted that the quasi-quantized 3D version of the 2D QHE should occur in a much broader class of bulk materials, regardless of the underlying crystal structure. Here, we compare the observation of quasi-quantized plateau-like features in the Hall conductivity of then-type bulk semiconductor InAs with the predictions for the 3D QQHE in presence of parabolic electron bands. InAs takes form of a cubic crystal without any low-dimensional substructure. The onset of the plateau-like feature in the Hall conductivity scales with $\sqrt{2/3}k_{F}^{z}/\pi$ in units of the conductance quantum and is accompanied by a Shubnikov-de Haas minimum in the longitudinal resistivity, consistent wit the results of calculations. This confirms the suggestion that the 3D QQHE may be a generic effect directly observable in materials with small Fermi surfaces, placed in sufficiently strong magnetic fields

研究の動機と目的

• 低次元的構造を持たない体積内3次元半導体で準量子化ホール効果（QQHE）が観測可能かどうかを調査すること。
• 小フェルミ表面および放物型バンドを持つ3次元系においてQQHEが一般に成立する現象かどうかを特定すること。
• 固定化学ポテンシャル下でのQQHEスケーリングが√(2/3)kFに一致する理論的予測の妥当性を検証すること。
• InAsで観測されたホールプラトーが、電荷密度波などの外的メカニズムではなく、内在的な3次元量子効果に起因するかどうかを明確にすること。
• 中程度の磁場下で、等方的で立方晶のIII-V族半導体においてQQHEが観測可能であることを確立すること。

提案手法

• 低温で高移動度のn型InAs単結晶を用い、低周波数ロックイン電気的輸送測定を実施した。
• ホール抵抗率ρxyと縦方向抵抗率ρxxを測定し、ホール電導度σxy = ρxy / (ρ²xx + ρ²xy)を計算した。
• 固定化学ポテンシャルを仮定した3次元放物型バンドの理論モデルを用い、σxy = (2e²/h)(1/2π) Σν=0^∞ 2Cν √(kF² - (ν + ½)²eB/ħ)（Cν = 1）という式を適用した。
• 固定化学ポテンシャルと固定キャリア濃度の両状態における理論予測と、実験的σxy(B)データを比較した。
• シュービニコフ＝ド・ハース振動を用いて、振動周波数からフェルミ波数kFを抽出した。
• ホール電導度の発現スケーリングが√(2/3)kFに一致するかを評価し、文献[13]の理論予測との整合性をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 等方的放物型バンドを有する体積内3次元半導体で、準量子化ホール効果が現れるか？
• RQ2 観測されたホール電導度のスケーリングが、3次元QQHEの理論的予測である√(2/3)kFと整合するか？
• RQ3 固定化学ポテンシャルモデルが、固定キャリア濃度モデルよりも実験データをよりよく説明できるか？
• RQ4 電荷密度波の不安定性や人工的な2次元層構造を必要としない材料（例：InAs）においてもQQHEが観測可能か？
• RQ5 低キャリア密度の3次元系において、3次元準量子化ホール効果は結晶構造に依存しない普遍的特徴であるか？

主な発見

• ホール電導度のプラトー様特徴の発現が、導電度量子単位で√(2/3)kFに正確に比例しており、3次元QQHEの理論的予測と一致した。
• 観測されたホール電導度は、固定化学ポテンシャルを仮定した理論モデルと定量的に整合する明確なプラトー様特徴を示した。
• 縦方向抵抗率におけるシュービニコフ＝ド・ハースの最小値が、ホールプラトーの発現と一致し、Landau準位の満たされ方の遷移を確認した。
• 特に最低位のLandau準位近傍において、固定化学ポテンシャルモデルが固定キャリア濃度モデルよりも実験データに優れたフィットを示した。
• 体積内InAs、すなわち低次元的構造や電荷密度波秩序を有しない立方晶半導体においても、3次元準量子化ホール効果が観測された。
• 結果は、QQHEが小フェルミ表面および放物型バンドを有する3次元電子系の内在的性質であり、試料の純度や形状に依存しないことを確認した。