[논문 리뷰] Josephson-like tunnel resonance and large Coulomb drag in GaAs-based electron-hole bilayers

M. L. Davis, S. Parolo외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 13.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 밀리켈빈 온도에서 전기 도핑을 통해 10 nm 두께의 AlGaAs 절연체를 가진 GaAs 기반 전자-홀 이중층에서 조셉슨 유사 터널 공진과 큰 쿠론 드래그를 관측하였다. 2D 전하 밀도가 1.1×10¹⁰ cm⁻²에 가까운 영역에서 날카로운 터널 도전도 피크와 증가한 압축성은 엑시톤성 보즈아인슈타인 응축체로의 상전이를 나타내며, 최대 20 Ω에 이르는 큰 드래그 저항도 Mott 전이 근처에서 강한 상층 간 상관관계를 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광학적 자극 없이 GaAs 기반 전자-홀 이중층에서 엑시톤성 보즈아인슈타인 응축체(BEC) 존재 여부를 탐색하기 위해.
• Mott 전이를 중심으로 엑시톤 기체 상태의 BEC와 데기 전자-홀 페르미 기체 상태 사이의 전이를 조사하기 위해.
• 일관된 상층 간 결합의 징후를 식별하기 위해 수직 터널 도전도와 횡방향 쿠론 드래그를 측정하기 위해.
• 고정밀 전도도 및 용량 측정을 통해 Mott 전이 근처에서 상층 간 상호작용과 압축성의 역할을 규명하기 위해.

제안 방법

• 분자비임프레션 에피택시를 통해 10 nm 두께의 Al₀.₈Ga₀.₂As 절연체를 가진 고이동도 GaAs 기반 이중층 구조를 제작하였다.
• 기둥형 및 교차형 장치를 사용하여 20 mK에서 상층 간 터널 도전도와 횡방향 쿠론 드래그를 측정하였다.
• 283 Hz에서 락인 기법을 사용하여 DC 및 AC 전압 편향을 적용하여 터널 도전도와 용량을 추출하였다.
• 선형 네트워크 모델을 활용하여 도핑된 층의 저항을 보정하고 진정된 드래그 저항도를 추출하였다.
• 전기적 제어를 통해 2D 전하 밀도를 1×10¹⁰ cm⁻²까지 낮춰 BEC 및 페르미 기체 영역에 접근하였다.
• 60 mK에서의 2D 페르미 기체 이론 예측을 바탕으로 드래그 저항도를 모델링하였으며, 상층 간 거리에 따라 조정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저온 및 저전하 밀도 조건에서 GaAs 기반 전자-홀 이중층에서 조셉슨 유사 터널 공진이 나타나는가?
• RQ2 Mott 전이 근처에서 상층 간 도전도와 압축성이 측정 가능한 정도로 증가하는가? 이는 엑시톤성 BEC 존재를 시사하는가?
• RQ3 쿠론 드래그 저항도는 Mott 전이를 통과할 때 어떻게 변화하는가? 비상호작용 페르미 기체에 대한 이론 예측을 초월하는가?
• RQ4 낮은 개별 층의 도전도에도 불구하고 상층 간 상호작용은 큰 드래그 전압을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 1.1×10¹⁰ cm⁻²의 전하 밀도에서 날카로운 터널 도전도 공진이 관측되었으며, 이는 엑시톤성 BEC에서의 조셉슨 유사 강화 터널링과 일치한다.
• 1.525 V에서 용량이 단계적으로 증가하여 압축성이 증가하고 상층 간 효과적 거리가 감소하는 엑시톤 상태로의 전이를 나타낸다.
• 진정된 쿠론 드래그 저항도는 약 1.5×10¹⁰ cm⁻²의 밀도에서 최대 20 Ω에 도달하였으며, 비상호작용 페르미 기체에 대한 이론 예측을 크게 초월한다.
• 터널 공진과 드래그 최대값이 동일한 밀도에서 발생하여, 이는 공통적으로 엑시톤성 BEC 상태에서 기인함을 시사한다.
• 낮은 밀도에서 2D 층의 도전도가 감소함에 따라 드래그 저항도가 감소하여 추가 측정이 제한된다.
• 관측된 행동은 Mott 전이를 중심으로 엑시톤 기체 상태의 BEC에서 데기 전자-홀 페르미 기체 상태로의 상전이와 일치한다.