[論文レビュー] Thermoelectric transport in a correlated electron system on the surface of liquid helium

Ivan Kostylev, A. A. Zadorozhko+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 39被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、液体ヘリウム上に存在する秩序のない相関電子系における熱電輸送の初の直接観測を報告する。マイクロ波誘起の垂直遷移を用いて局所的加熱を生成し、分断された電極を用いて横方向の電子流れを検出する。観測された電流はセーベック効果に従い、高速な電子-電子散乱を考慮した運動論理論と非常に良好に一致しており、Wiedemann-Franzの法則の著しい違反に起因するZT > 1の可能性を示唆している。

ABSTRACT

We report on the direct observation of the thermoelectric transport in a nondegenerate correlated electron system formed on the surface of liquid helium. We find that the microwave-induced excitation of the vertical transitions of electrons between the surface-bound states leads to their lateral flow, which we were able to detect by employing a segmented electrode configuration. We show that this flow of electrons arises due to the Seebeck effect, thus our method provides a new tool to study thermoelectricity in a disorder-free correlated electron system. Our experimental results are in good agreement with the theoretical calculations based on kinetic equations, with proper account of fast electron-electron collisions.

研究の動機と目的

• 液体ヘリウム上に存在する秩序のない相関電子系における熱電輸送を直接観測すること。
• 散乱が最小限の系においてセーベック効果をプローブし、内在的な熱電気的挙動の研究を可能にすること。
• 共鳴マイクロ波励起と分断電極を用いた新しい実験手法を開発・検証し、熱電流を検出すること。
• 高速な電子-電子散乱とWiedemann-Franzの法則の違反に起因する熱電性能の向上という理論的予測を検証すること。

提案手法

• 約100 GHzのマイクロ波放射を用いて、表面に束縛された量子状態間の電子を共鳴的に励起し、局所的加熱を生成する。
• 分断電極構成により、温度勾配に起因する電荷の流れを空間的に分解能をもって検出可能にする。
• 画像電荷電流のロックイン検出を用いて、電極上に誘起される横方向の電子電流を測定することで、セーベック効果をプローブする。
• 高速な非弾性電子-電子散乱を組み込んだ運動論方程式を用いて輸送をモデル化し、実験的条件から得られたパラメータを用いる。
• Matlabを用いたPDEソルバを用いて、電子温度と密度の時間に依存する連立方程式を数値的に解く。
• グリーン関数法を用いたポアソン方程式の解と比較することで、平行板コンデンサ近似の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 清浄で相関のある2次元電子系である液体ヘリウム上に、熱電輸送を直接観測できるか？
• RQ2 静的秩序がなく、電子-電子散乱が支配的である状況下で、セーベック効果はどのように現れるか？
• RQ3 高速な電子-電子散乱が、この系における熱電的図形質数ZTをどの程度向上させるか？
• RQ4 非弾性電子-電子散乱を含む運動論理論モデルは、実験的電流応答をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 分断電極は、マイクロ波誘起加熱に起因する熱電流を感度よく検出可能か？

主な発見

• 加熱領域（マイクロ波励起領域）から冷却領域へ向かう、ネットの電子電流が観測され、清浄系におけるセーベック効果の確認がされた。
• 測定された熱電流はマイクロ波出力に対して非線形的依存を示し、理論的予測と整合的である。
• 電流の動的応答、特に過渡挙動が、電子-電子散乱を含む運動論方程式に基づく数値シミュレーションと一致した。
• 計算された電荷のずれは約-4000eであり、平均電流は約130 pAに相当し、実験値と良好に一致した。
• 理論的モデリングにより、Wiedemann-Franzの法則の著しい違反に起因し、高速な非弾性電子-電子散乱が寄与することで、ZT値が1を著しく上回ることが示唆された。
• 平行板コンデンサ近似により得られた電荷のずれは約-7500eであり、PDEベースのシミュレーション結果（約-4000e）と妥当な一致を示し、モデルの正確性が裏付けられた。