[論文レビュー] Observation of new plasmons in the fractional quantum Hall effect: interplay of topological and nematic orders

Lingjie Du, Ursula Wurstbauer+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2019

Quantum and electron transport phenomena参考文献 37被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、高移動度2次元電子系に傾いた磁場を印加した状況下で、第二Landau準位における従来報告のなかった内部Landau準位プラズモンを共鳴非弾性光散乱を用いて観測した。プラズモンはネミック相における長距離並進対称性を示し、トポロジカルな量子ホール秩序とネミック秩序の間の重要な相互作用を明らかにした。特に、ν = 5/2における明著な強度最小値は、安定な5/2ペア化超流動状態がネミック秩序を抑制していることを示し、ν = 7/3における強いプラズモンピークは、トポロジカル秩序とネミック秩序の共存を示している。

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.

研究の動機と目的

• 2次元電子系の第二Landau準位（SLL）におけるトポロジカルな量子ホール秩序とネミック電子的液体結晶（QELC）秩序の相互作用を調べること。
• 端状態を介在させないボリュームプローブを用いて、SLLにおける回転対称性の破れ相の性質を、傾いた磁場下で調査すること。
• 特にν = 5/2およびν = 7/3における特定の充填因子において、ネミック秩序がトポロジカルな分数量子ホール（FQH）状態と共存するか、あるいは競合するかを特定すること。
• 波数が明確に定義されたプラズモンモードの観測により、ネミック相における長距離並進対称性を確立すること。
• 共鳴非弾性光散乱（RILS）を用いて、ボリューム内での集団モードを直接プローブすることで、特異な量子相の安定性とコherー二ティに関する定量的知見を得ること。

提案手法

• 共鳴非弾性光散乱（RILS）を用い、傾き角θ ≈ 20°で測定した。高移動度GaAs/AlGaAs量子井戸（電子密度n = 2.9 × 10¹⁵ m⁻²、移動度μ = 23.9 × 10² m²/Vs）における集団励起状態を測定した。
• 入射光子エネルギーωL = 1526 meVと散乱幾何学から、波数伝達q = |kL − kS|sinθ ≈ 6.4 × 10⁴ cm⁻¹を固定した。
• プラズモンエネルギーは、ω(q) = (1 + ξ)ωp(q) でモデル化され、ここでωp(q) = √(n*e²q / (2εε₀m*)) は完全並進対称性を持つ系の2次元プラズモン分散である。
• パラメータn*はスピンアップSLLにおける準粒子密度として定義され、n* = n − 2eB⊥/h であり、プラズモン分散とコherー二ティ長の抽出に用いられた。
• 強度とバンド幅（FWHM）を充填因子νの関数として分析し、相の安定性とコherー二ティを推定した。SLL粒子密度を基準に正規化した。
• RILSスペクトルは、40 mK未満の基底温度でデュアルリフリッジャー内で記録され、弱いプラズモンモードの高分解能検出が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元電子系の第二Landau準位において、傾いた磁場下に存在する内部Landau準位プラズモンは存在するか？ そして、それらは背後にある電子秩序について何を明らかにするか？
• RQ2 2 < ν < 3の範囲における充填因子νに応じて、プラズモン強度とエネルギーはどのように変化するか？ これはネミック秩序とトポロジカルなFQH秩序の間の競合または共存を示唆するか？
• RQ3 ネミック相において、波数依存性を示すプラズモンモードによって、長距離並進対称性が保たれているか？
• RQ4 なぜν = 5/2においてプラズモンスペクトルに明著な強度最小値が観測されるのか？ これは5/2ペア化超流動状態の安定性について何を示唆するか？
• RQ5 ν = 7/3における強い、鋭いプラズモンピークの意味は何か？ これはFQHネミック状態の存在を支持するか？

主な発見

• 第二Landau準位において、内部Landau準位プラズモンが初めて観測された。エネルギーはサイクロトロンエネルギーより著しく低く、単一Landau準位内での集団モードとしての同定が確認された。
• プラズモンエネルギーω(q)は準粒子密度n*に平方根依存性を示し、完全並進対称性を持つ系の2次元プラズモン分散ωp(q) = √(n*e²q / (2εε₀m*)) と整合的であった。
• ν = 5/2におけるプラズモンスペクトルの明著な強度最小値は、ネミック秩序が強く抑制されていることを示し、5/2ペア化超流動状態が支配的であり、ネミック揺らぎに対して安定化していると示唆する。
• ν = 7/3では、鋭く強いプラズモンピークが出現し、高いコherー二ティと巨視的秩序を示し、トポロジカルFQH秩序とネミック秩序の共存を直接実験的に裏付けた。
• FWHMから導出されたプラズモンコherー二ティ長Lは、ν = 7/3近傍で増加し、長波長でコherー二ティを持つネミックFQH状態の出現を支持する。
• ν = 2およびν = 3ではプラズモンモードが観測されないため、このモードは2 < ν < 3の範囲に特有であり、部分的に満たされたSLLにおける特異な量子相の形成に関連している。