[논문 리뷰] Observation of new plasmons in the fractional quantum Hall effect: interplay of topological and nematic orders

Lingjie Du, Ursula Wurstbauer외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 06.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 37인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 고이동도 2차원 전자계에서 기울인 자기장 하에 있는 제2 Landau 수준의 이전에 보고되지 않은 내부 Landau 수준 플라스몬을 공진성 비탄성 빛산란을 통해 관측하였다. 플라스몬은 나치스 상태에서 장거리 전이 대칭성을 보이며, 위상적 양자 홀 상태와 나치스 상태 간의 핵심 상호작용을 나타내며, v = 5/2에서 뚜렷한 강도 최소값을 보이며 나치스 상태가 강력한 5/2 쌍체 초유체 상태에 의해 억제됨을 시사하고, v = 7/3에서 강한 플라스몬 피크는 위상적 및 나치스 상태의 공존을 나타낸다.

ABSTRACT

Collective modes of exotic quantum fluids reveal underlying physical mechanisms responsible for emergent complex quantum ground states. We observe unexpected new collective modes in the fractional quantum Hall (FQH) regime: intra-Landau-level plasmons in the second Landau level measured by resonant inelastic light scattering. The plasmons herald rotational-symmetry-breaking phases in tilted magnetic fields and reveal long-range translational invariance in these phases. The fascinating dependence of plasmon features on filling factor provide new insights on interplays between topological quantum Hall order and nematic electronic liquid crystal phases. A marked intensity minimum in the plasmon spectrum at Landau level filling factor v = 5/2 strongly suggests that this paired state, which could support non-Abelian excitations, overwhelms competing nematic phases, unveiling the robustness of the 5/2 superfluid state for small tilt angles. At v = 7/3, a sharp and strong plasmon peak that links to emerging macroscopic coherence supports the proposed model of a FQH nematic state at this filling factor.

연구 동기 및 목표

• 2차원 전자계의 제2 Landau 수준에서 위상적 양자 홀 상태와 나치스 전자 액체 결정 상태 간의 상호작용을 탐구하기 위해.
• 경계 상태 중개를 피하는 부피 측정을 통해 기울인 자기장 하에서 제2 Landau 수준의 회전 대칭성 위반 상의 성질을 조사하기 위해.
• 특히 v = 5/2 및 v = 7/3에서 나치스 상태가 위상적 FQH 상태와 공존하는지 또는 경쟁하는지 확인하기 위해.
• 잘 정의된 波수를 가진 플라스몬 모드의 관측을 통해 나치스 상에서 장거리 전이 대칭성을 확립하기 위해.
• 공명 비탄성 빛산란(RILS)을 통해 부피 내 집단 모드를 직접 측정함으로써, 이상한 양자 상의 안정성과 위상적 일관성에 대한 정량적 통찰을 확보하기 위해.

제안 방법

• 공명 비탄성 빛산란(RILS)을 사용하여 기울인 각도 θ ≈ 20°에서 고이동도 GaAs/AlGaAs 양자우물(전자 밀도 n = 2.9 × 10¹⁵ m⁻², 이동도 μ = 23.9 × 10² m²/Vs)에서 집단 진동을 측정하였다.
• 입사 광자 에너지 ωL = 1526 meV와 산란 기하학에 의해 고정된 波수 이동 q = |kL − kS|sinθ ≈ 6.4 × 10⁴ cm⁻¹를 사용하였다.
• 플라스몬 에너지는 ω(q) = (1 + ξ)ωp(q)로 모델링되었으며, 여기서 ωp(q) = √(n*e²q / (2εε₀m*))는 완전한 전이 대칭성을 가진 시스템의 2D 플라스몬 분산이다.
• 파rameter n*는 스핀 업 제2 Landau 수준 내의 준입자 밀도로 정의되며, n* = n − 2eB⊥/h이며, 플라스몬 분산과 위상 일관성 길이를 추출하는 데 사용되었다.
• 강도 및 반폭(최대값 반절 높이)은 채움 인자 ν에 대한 함수로서 위상 안정성과 위상 일관성을 추론하기 위해 분석되었으며, 제2 Landau 수준 입자 밀도로 정규화되었다.
• RILS 스펙트럼은 40 mK 이하의 기저 온도에서 냉각기에서 기록되었으며, 약한 플라스몬 모드의 고해상도 검출이 가능하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울인 자기장 하에서 2차원 전자계의 제2 Landau 수준에서 내부 Landau 수준 플라스몬이 존재하는가? 그리고 이는 기저 전자 상태에 대한 통찰을 어떻게 제공하는가?
• RQ2 채움 인자 ν의 범위 2 < ν < 3에서 플라스몬 강도 및 에너지는 어떻게 변화하는가? 이는 나치스 상태와 위상적 FQH 상태 간의 경쟁 또는 공존에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 나치스 상에서 장거리 전이 대칭성이 유지되는가? 이는 플라스몬 모드의 波수 의존성으로 나타나는가?
• RQ4 왜 ν = 5/2에서 플라스몬 스펙트럼에 뚜렷한 강도 최소값이 나타나는가? 이는 5/2 쌍체 초유체 상태의 안정성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 ν = 7/3에서 강하고 날카로운 플라스몬 피크는 어떤 의미를 가지며, 이는 FQH 나치스 상태 존재를 뒷받침하는가?

주요 결과

• 이 연구는 기울인 자기장 하에서 제2 Landau 수준에서 처음으로 내부 Landau 수준 플라스몬을 관측하였으며, 이들의 에너지는 사이클로트론 에너지 이하로 낮아, 단일 Landau 수준 내 집단 모드임을 확인하였다.
• 플라스몬 에너지 ω(q)는 준입자 밀도 n*에 대해 제곱근 의존성을 보이며, 완전한 전이 대칭성을 가진 시스템의 2D 플라스몬 분산 ωp(q) = √(n*e²q / (2εε₀m*))와 일치한다.
• ν = 5/2에서 뚜렷한 강도 최소값은 나치스 상태의 강력한 억제를 나타내며, 5/2 쌍체 초유체 상태가 시스템의 나치스 변동성에 대해 지배적이고 안정화된 상태임을 시사한다.
• ν = 7/3에서 날카롭고 강한 플라스몬 피크가 나타나, 높은 위상 일관성과 매크로스코픽 질서를 나타내며, 위상적 FQH 상태와 나치스 상태의 공존에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공한다.
• 플라스몬 위상 일관성 길이 L은 피크의 반폭(최대값 반절 높이)으로 유도되었으며, ν = 7/3 근처에서 증가하여 장파장, 고위상 일관성 있는 나치스 FQH 상태의 존재를 지지한다.
• ν = 2 및 ν = 3에서 플라스몬 모드가 관측되지 않아, 이 모드는 2 < ν < 3 범위에 특화되어 있으며 부분적으로 채워진 제2 Landau 수준에서의 이상한 양자 상 형성과 관련이 있음을 나타낸다.