[论文解读] Quantum Hall effect in InAsSb quantum wells at elevated temperatures

M. E. Bal, Erik Cheah+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本研究展示了在高迁移率 InAsSb 量子阱中观测到量子霍尔效应（QHE），最高可达 60 K，这得益于其低有效质量（m* ≈ 0.022me）和强自旋-轨道耦合。通过温度依赖的 Shubnikov-de Haas 振荡、远红外透射以及倾斜磁场磁电输运测量，作者测得在高自旋极化下g因子显著增强至 g* = 60，k·p 计算进一步证实了电子结构特性，表明在 III-V 合金中实现室温 QHE 的潜在路径。

ABSTRACT

We have characterized the electronic properties of a high-mobility two-dimensional electron system in modulation doped InAsSb quantum wells and compare them to InSb quantum wells grown in a similar fashion. Using temperature-dependent Shubnikov-de Haas experiments as well as FIR transmission we find an effective mass of $m^{\ast} \approx$ 0.022$m_{e}$, which is lower than in the investigated InSb quantum well, but due to a rather strong confinement still higher than in the corresponding bulk compound. The effective $g$-factor was determined to be $g^{\ast} \approx$ 21.9. These results are also corroborated by $k \cdot p$ band structure calculations. When spin polarizing the electrons in a tilted magnetic field, the $g$-factor is significantly enhanced by electron-electron interactions, reaching a value as large as $g^{\ast}$ = 60 at a spin polarization P = 0.75. Finally, we show that due to the low effective mass the quantum Hall effect in our particular sample can be observed up to a temperature of 60 K and we propose scenarios how to increase this temperature even further.

研究动机与目标

• 研究高迁移率 InAsSb 量子阱的电子特性，以探索其在潜在高温量子霍尔效应（QHE）应用中的前景。
• 将 InAsSb 量子阱的电子行为与在相似条件下生长的 InSb 量子阱进行比较。
• 利用输运和光谱技术测定有效质量和g因子。
• 探究在高自旋极化条件下，电子关联对g因子的增强效应。
• 识别材料工程策略，以将 QHE 转变温度推高至 60 K 以上。

提出的方法

• 进行温度依赖的 Shubnikov-de Haas（SdH）振荡测量，通过量子振荡振幅的温度依赖性提取有效质量。
• 实施远红外（FIR）透射光谱测量，以交叉验证有效质量并探测回旋共振。
• 施加倾斜磁场以诱导自旋极化，并从 SdH 振荡中的 Zeeman 分裂提取g因子。
• 利用 k·p 带结构计算验证所测得的有效质量和g因子数值。
• 从 σxx(T) 数据中分析激活能，以确定能隙和 QHE 稳定温度。
• 采用傅里叶变换红外（FT-IR）光谱仪配合 33 T 磁场，测量未经处理外延片的 FIR 透射率，通过楔形背面设计最小化干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 InAsSb 量子阱中二维电子气的有效质量是多少？与 InSb 相比如何？
• RQ2 在高自旋极化条件下，电子-电子相互作用对g因子的增强程度如何？
• RQ3 该 InAsSb 系统中可观察到量子霍尔效应的最高温度是多少？
• RQ4 所测得的电子特性与 k·p 带结构理论预测的比较结果如何？
• RQ5 哪些材料参数或结构设计可进一步提高 QHE 转变温度？

主要发现

• InAsSb 量子阱中的有效质量为 m* ≈ 0.022me，低于体材料 InSb，但高于体材料 InAsSb，这是由于强量子限制效应所致。
• 在无电子相互作用条件下测得的g因子为 g* ≈ 21.9，与 k·p 计算结果一致。
• 在高自旋极化（P = 0.75）下，g因子增强至 g* = 60，表明存在强烈的电子关联效应。
• 由于有效质量较低，量子霍尔效应可观察至 60 K，显著高于大多数常规二维系统。
• 从 σxx(T) 拟合中提取的激活能表明 QHE 态具有强鲁棒性，QHE 在 T ≈ 60 K 时消失。
• 结果表明，通过进一步优化能带结构并降低杂质无序度，有望将 QHE 转变温度推进至室温。