[論文レビュー] Dynamical symmetry breaking as the origin of the zero-$dc$-resistance state in an $ac$-driven system

A. V. Andreev, I. L. Aleǐner+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2003

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、負の線形応答損傷抵抗率に起因する動的対称性の破れによって、交流駆動下の二次元電子系におけるゼロdc抵抗状態が生じることを説明する。$ρ_d(j=0) < 0$ のとき、系は不安定になり、特異点を除き至るところに電流密度 $j_0$ が自発的に発生し、損傷電場が消えてゼロ抵抗状態となる。これは、Mani や Zudov の実験観察と整合的である。

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.}.

研究の動機と目的

• ac駆動下の二次元電子系で実験的に観測されたゼロdc抵抗状態を説明すること。
• 負の線形応答電導度と非損傷輸送を結びつける一般的メカニズムを確立すること。
• 負の $ρ_d(j=0)$ が不安定性を引き起こし、$ρ_d(j_0^2) = 0$ となる $j_0$ で自発的な電流が形成されることを示すこと。
• 得られた状態において、dc電場の損傷成分が消えること、すなわちゼロ抵抗が実現されることを示すこと。
• 理論的予測を、マイクロ波照射下での抵抗振動および抵抗率の消失という実験的観察と結びつけること。

提案手法

• 静磁場とac電場の下での2DEGにおけるdc輸送を、非線形抵抗率モデル $ρ_d(j^2)$ を用いて分析する。
• $ρ_d(j^2)$ が連続的かつ実数であると仮定し、特定の領域では $ρ_d(0) < 0$ であり、有限の $j_0$ で $ρ_d(j_0^2) = 0$ となることを仮定する。
• $ρ_d(j_0^2) = 0$ の条件を用いて、損傷電場がゼロとなる安定な電流状態を定義する。
• エネルギー保存則 $j^2 \rho_d(j^2) + \mathcal{P}_{ac} > 0$ を適用し、連続的なエネルギー供給のもとで負の $ρ_d$ を許容する。
• 均一なゼロ電流状態の安定性を分析し、$ρ_d(0) < 0$ のとき不安定であることを示す。
• ドメイン壁やヴォルテックスコアを特異点としてモデル化し、$j \neq j_0$ となる領域を想定することで、損傷電場を伴わない電流パターンの再配置を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 負の線形応答損傷抵抗率 $ρ_d(j=0) < 0$ が安定なゼロ抵抗状態をもたらすか？
• RQ2 $ρ_d(j=0) < 0$ のとき、時間に依存しない状態としてどのような性質の状態が出現するか？
• RQ3 非ゼロの電流があるにもかかわらず、なぜ損傷電場の成分がゼロになるのか？
• RQ4 $ρ_d(j_0^2) = 0$ の条件がゼロ抵抗状態の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 系の応答は、電流の大きさ、温度、磁場にどのように依存するか？

主な発見

• $ρ_d(j=0) < 0$ である均一なゼロ電流状態は動的に不安定であり、自発的に電流が形成される。
• 時間に依存しない唯一の安定状態は、孤立した特異点を除き至るところに電流密度 $j_0$ が存在する状態であり、$ρ_d(j_0^2) = 0$ を満たす。
• 損傷成分のdc電場が消えるのは、$j_0$ 状態において $<\mathbf{j}|\mathbf{E}\u003E = 0$ となるためである。
• ドメイン壁の位置を調整することで、閾値未満の任意のnet dc電流を維持しつつ、損傷電場をゼロに保てる。
• 電流および温度における閾値行動が予測され、$T$ が低下するか $I$ が臨界値を超えて増加すると、ゼロ抵抗が急激に出現する。
• ドメイン壁における電荷の蓄積により、非局所的ポテンシャル差が生じ、局所的プローブによって検出可能となる可能性がある。