[論文レビュー] The Quantized Hall Insulator: A New Insulator in Two-Dimensions

Michael Hilke, D. Shahar+4 more|eScholarship (California Digital Library)|Oct 15, 1998

Quantum and electron transport phenomena被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、高磁場下における二次元電子系に新たな絶縁相が存在することを実験的に示した。これを量子ホール絶縁体（QHI）と呼ぶ。QHIでは、絶縁領域においてもホール抵抗率が h/e² にほぼ量子化されたまま維持される。QHIは、量子ホールプラトーの高磁場領域に出現し、2 K未満で ρxy が h/e² に飽和することが温度依存測定により確認された。さらに、σxx と σxy の間の半円関係が観測され、絶縁領域における普遍的輸送行動が裏付けられた。

ABSTRACT

Quite generally, an insulator is theoretically defined by a vanishing conductivity tensor at the absolute zero of temperature. In classical insulators, such as band insulators, vanishing conductivities lead to diverging resistivities. In other insulators, in particular when a high magnetic field (B) is added, it is possible that while the magneto-resistance diverges, the Hall resistance remains finite, which is known as a Hall insulator. In this letter we demonstrate experimentally the existence of another, more exotic, insulator. This insulator, which terminates the quantum Hall effect series in a two-dimensional electron system, is characterized by a Hall resistance which is approximately quantized in the quantum unit of resistance h/e^2. This insulator is termed a quantized Hall insulator. In addition we show that for the same sample, the insulating state preceding the QHE series, at low-B, is of the HI kind.

研究の動機と目的

• 強い磁場下における二次元電子系に新たな絶縁相を同定し、その特徴を明らかにすること。
• 従来のホール絶縁体とは異なり、絶縁領域においてもホール抵抗率が量子化されるかを特定すること。
• 特に ρxx と ρxy の相関関係およびその温度依存性に注目し、絶縁領域における輸送挙動を調査すること。
• 絶縁領域における σxx と σxy の間の半円関係の妥当性を検証すること。
• 量子ホール効果を越えた絶縁状態の本質を解明すること。特に、不純物と局在化の役割を明確にすること。

提案手法

• 高移動度の2次元電子系を用い、磁場 B と温度 T の関数として、縦抵抗率（ρxx）とホール抵抗率（ρxy）を測定した。
• B場の向きを反転することで磁場対称化技術を用い、ρxx の対称的寄与をキャンセルし、ρxy を分離した。
• 1 nA の微小電流を用いた低周波ロックイン法により、加熱を最小限に抑え、ρxy 測定の精度を向上させた。
• ρxx(T) を T=0 K に外挿し、指数的発散により絶縁行動を特定した。
• 抵抗率テンソルの行列逆算を用いて、σxx² + (σxy - e²/(2h))² = (e²/(2h))² の半円関係を分析した。
• 実験データを、KLZグローバル相図やQHIの古典的ネットワークモデルを含む理論モデルと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ホールプラトーを越えた絶縁領域においても、ホール抵抗率は量子化されたまま維持されるか？
• RQ2 輸送特性の観点から、量子ホール絶縁体（QHI）と従来のホール絶縁体（HI）の違いは何か？
• RQ3 特に低温領域において、σxx と σxy の間の半円関係は、絶縁領域でどのように成立するか？
• RQ4 温度と電流の影響が、高抵抗率領域における ρxy 測定の不正確さに与える影響は何か？
• RQ5 局在化した量子ホール液体とコherentトンネルを有する古典的ネットワークモデルで、QHI相を記述できるか？

主な発見

• ホール抵抗率 ρxy は、2.7–10 T の広い磁場範囲および ν = 1.5 から 0.4 のランダウ準位の充満因子において、h/e² にほぼ量子化されたまま維持され、新たな絶縁相の存在を示した。
• 2 K未満の低温で、ρxy は2%の精度内で h/e² に飽和し、絶縁領域の深くに位置するQHI状態が確認された。
• 電流を400 nAまで増加させたことで、ρxy 測定の実験誤差は20%から6%に低下し、測定の信頼性が向上した。
• すべての測定温度において、σxx² + (σxy - e²/(2h))² = (e²/(2h))² の半円関係が明確に観測され、QHI相における普遍的輸送行動が裏付けられた。
• 低磁場領域の絶縁状態は、従来のホール絶縁体（HI）と特定され、ρxy は有限ではあるが量子化されていない。これは、高磁場領域のQHIと対照的である。
• HIからQHIへの遷移は νc = 0.75 で発生し、臨界磁場において ρxx が温度に依存しない振る舞示すことで、相転移境界が確認された。