[論文レビュー] Quantum effects in the terahertz optical Hall conductivity at the cyclotron resonance of a two dimensional electron gas

Andreas V. Stier, H. Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2011

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、電気ゲーティングを用いた感度の高いファラデー回転技術により、GaAs/AlGaAsヘテロジャンクション内の二次元電子系のテラヘルツ光学ホール伝導度を測定した。電子密度およびランダウ準位の充填因子の関数として、ファラデー回転角にプラトーおよび段階的な特徴が観測され、サイクロトロン共振付近のトポロジカルに保護されたエッジ状態と関連する高周波量子ホールプラトーが直接的に実証された。これは、動的スケーリング理論と整合的である。

ABSTRACT

We measure the Hall conductivity of a two-dimensional electron gas formed at a GaAs/AlGaAs heterojunction in the terahertz regime close to the cyclotron resonance frequency by employing a highly sensitive Faraday rotation method coupled with electrical gating of the sample to change the electron density. We observe clear plateau-and step-like features in the Faraday rotation angle vs. electron density and magnetic field (Landau-level filling factor), which are the high frequency manifestation of quantum Hall plateaus - a signature of topologically protected edge states. The results are compared to a recent dynamical scaling theory.

研究の動機と目的

• 高感度の光学的手法を用いて、テラヘルツ周波数領域における量子ホール効果を調査すること。
• 二次元電子系における高周波電磁特性において、トポロジカルに保護されたエッジ状態の役割を解明すること。
• 電気ゲーティングによる電子密度の調整を介して、サイクロトロン共振近傍におけるホール伝導度の挙動を調べること。
• テラヘルツ光学ホール応答の文脈において、最近の動的スケーリング理論の予測を検証すること。

提案手法

• テラヘルツ帯域における横方向ホール伝導度を検出するために、極めて感度の高いファラデー回転測定システムが用いられた。
• GaAs/AlGaAsヘテロジャンクションの電気ゲーティングにより、二次元電子系のキャリア密度を正確に調整できた。
• ランダウ準位遷移とエッジ状態寄与を調べるため、サイクロトロン共振周辺の周波数で測定が実施された。
• 磁場と電子密度を調整することでランダウ準位の充填因子を変化させ、量子ホール特徴のマッピングが可能となった。
• 実験データは、最近の量子ホール効果の動的スケーリング理論の予測と比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元電子系のテラヘルツ光学ホール伝導度において、量子ホールプラトーはどのように現れるか？
• RQ2 サイクロトロン共振付近の高周波応答において、トポロジカルに保護されたエッジ状態は果たす役割は何か？
• RQ3 観測された光学的特徴は、動的スケーリング理論の予測とどの程度整合するか？
• RQ4 電子密度および磁場の変化に伴い、テラヘルツ領域におけるホール伝導度応答はどのように変化するか？

主な発見

• 電子密度およびランダウ準位の充填因子の関数として、ファラデー回転角に明確なプラトーおよび段階的特徴が観測された。
• これらの特徴は、トポロジカルに保護されたエッジ状態に起因する高周波光学的顕現であり、その存在を示している。
• 観測された特徴は特定にサイクロトロン共振周波数付近に現れ、ランダウ準位遷移とエッジ状態輸送の相互作用を強調している。
• 実験結果は、最近の動的スケーリング理論の予測と良好な定性的な一致を示した。
• 本研究の結果は、テラヘルツファラデー回転が、二次元電子系におけるトポロジカル輸送現象の有効なプローブであることを示している。