[논문 리뷰] Dynamical symmetry breaking as the origin of the zero-$dc$-resistance state in an $ac$-driven system

A. V. Andreev, I. L. Aleǐner외 1명|arXiv (Cornell University)|2003. 02. 04.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 음의 선형 반응 소산 저항성에 기인한 동적 대칭성 붕괴로 인해 ac 구동 양자 두께 전자계에서 0-dc 저항 상태가 발생함을 설명한다. $ρ_d(j=0) < 0$일 경우 시스템은 안정성이 상실되어 특이점 이외의 모든 곳에서 자발적으로 전류 밀도 $j_0$를 형성하게 되며, 이는 소산 전기장이 사라지고 저항이 0이 되는 결과를 낳으며, 이는 Mani와 Zudov의 실험 관측과 일치한다.

ABSTRACT

Under a strong $ac$ drive the zero-frequency linear response dissipative resistivity $ρ_{d}(j=0)$ of a homogeneous state is allowed to become negative. We show that such a state is absolutely unstable. The only time-independent state of a system with a $ρ_{d}(j=0)&lt;0$ is characterized by a current which almost everywhere has a magnitude $j_{0}$ fixed by the condition that the nonlinear dissipative resistivity $ρ_{d}(j_{0}^{2})=0$. As a result, the dissipative component of the $dc$ electric field vanishes. The total current may be varied by rearranging the current pattern appropriately with the dissipative component of the $dc$-electric field remaining zero. This result, together with the calculation of Durst \emph{et. al.}, indicating the existence of regimes of applied $ac$ microwave field and $dc$ magnetic field where $ρ_{d}(j=0)&lt;0$, explains the zero-resistance state observed by Mani \emph{et. al.} and Zudov \emph{et. al.}.

연구 동기 및 목표

• ac 구동 두께 전자계에서 실험적으로 관측된 0-dc 저항 상태를 설명하기 위해.
• 음의 선형 반응 도전도와 소산 없음 운반 간의 일반적 메커니즘을 확립하기 위해.
• 음의 $ρ_d(j=0)$가 안정된 전류 밀도 $j_0$에서의 불안정성과 자발적 전류 형성으로 이어지며, $ρ_d(j_0^2) = 0$임을 보여주기 위해.
• 결과 상태에서 소산 성분이 0이 되어 저항이 0이 되는 것을 보여주기 위해.
• 이론적 예측을 마이크로파 조사 하에서 저항 진동과 저항성 소멸 현상과 연결하기 위해.

제안 방법

• 비선형 저항성 모델 $ρ_d(j^2)$ 를 사용하여 정적 자기장과 ac 전기장 하에서 2DEG의 dc 운반을 분석한다.
• $ρ_d(j^2)$ 가 연속적이고 실수이며, 특정 영역에서는 $ρ_d(0) < 0$ 이고, 유한한 $j_0$ 에서 $ρ_d(j_0^2) = 0$ 임을 가정한다.
• $ρ_d(j_0^2) = 0$ 조건을 사용하여 소산 전기장이 0인 안정된 전류 상태를 정의한다.
• 에너지 보존 원칙을 적용: $j^2 \rho_d(j^2) + \mathcal{P}_{ac} > 0$ 이며, 이는 연속적인 에너지 입력 하에 $ρ_d$ 가 음수가 될 수 있음을 허용한다.
• 균일한 0전류 상태의 안정성을 분석하여, $ρ_d(0) < 0$ 일 경우에 불안정함을 보여준다.
• 도메인 벽과 비틀림 중심을 특이점으로 모델링하여 $j \neq j_0$ 이며, 소산 전기장 없이 전류 패턴 재구성 가능함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 음의 선형 반응 소산 저항성 $ρ_d(j=0) < 0$ 가 안정된 0저항 상태로 이어질 수 있는가?
• RQ2 $ρ_d(j=0) < 0$ 일 경우에 나타나는 시간에 독립된 상태의 성격은 무엇인가?
• RQ3 비제로 전류가 존재하는 상황에서 소산 전기장이 어떻게 0이 되는가?
• RQ4 $ρ_d(j_0^2) = 0$ 조건이 0저항 상태의 안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 시스템의 반응은 전류 크기, 온도, 자기장에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• $ρ_d(j=0) < 0$ 인 균일한 0전류 상태는 역학적으로 불안정하여 자발적 전류 형성이 발생한다.
• 시간에 독립된 유일한 안정된 상태는 고립된 특이점 이외의 모든 곳에서 전류 밀도 $j_0$ 를 가지며, $ρ_d(j_0^2) = 0$ 이다.
• 소산 성분이 0이 되는 이유는 $j_0$ 상태에서 $<\mathbf{j}|\mathbf{E}\u003E = 0$ 이기 때문이다.
• 도메인 벽의 위치 조절을 통해 임의의 네트워크 dc 전류를 임계값 이하로 유지하면서 소산 전기장이 0인 상태를 유지할 수 있다.
• 전류와 온도에 대한 임계 행동이 예측되며, $T$ 가 감소하거나 $I$ 가 임계값을 초과할 경우에 급격히 0저항 상태가 나타난다.
• 도메인 벽에서의 전하 축적은 국소적 잠재 에너지 강하를 유도하며, 국소적 탐측 장치로 측정 가능할 수 있다.