[論文レビュー] Valley Splitting in Si-Inversion Layers at Low Magnetic Fields

V. M. Pudalov, Alexander Punnoose+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2001

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、低磁場 (B < 0.8 T) における (100) Si逆転層で、初めてのバルク分裂の実験的観測を報告している。この現象は、シュビニコフ＝ド・ハース振動に強いビーティングパターンを引き起こす。ゼロ磁場でのバルク分裂は、キャリア密度が (3–7)×10¹¹ cm⁻² の範囲で弱く変化し、最大でほぼ100%の振幅変調を示しており、両バルクでの散乱時間のほぼ等しいことを示唆し、金属的抵抗率挙動の原因としてのサブバンド間散乱を除外する。

ABSTRACT

We report novel manifestation of the valley splitting for the two valley electron system in (100) Si-inversion layers at low carrier density. We found that valley splitting causes almost 100% modulation of the Shubnikov de Haas oscillations in very low magnetic fields, almost on the bound of the quantum interference peak of the negative magnetoresistance. From the interference pattern of oscillations we determined the valley splitting in the B=0 limit which appears to vary only within a factor of 1.3 over the density range (3-7)x10^{11}/cm^2. We found also that level broadenings in both electron valleys differ only by &lt; 3%. The latter result shows that the inter-valley scattering is not responsible for the strong (six fold) `metallic-like' changes of the resistivity with temperature.

研究の動機と目的

• 低密度Si逆転層における抵抗率の金属的温度依存性の背後にあるバルク分裂の役割を調査すること。
• 高移動度Si-MOS構造における顕著な金属絶縁体転移（MIT）にバルク分裂が寄与しているかどうかを特定すること。
• シュビニコフ＝ド・ハース振動を用いて、高移動度Si試料におけるゼロ磁場でのバルク分裂とその密度依存性を測定すること。
• バルク分裂と他のメカニズム（例：サブバンド間散乱）を区別し、温度および平行磁場に伴う抵抗率の強力な変化の原因を特定すること。

提案手法

• キャリア密度が (3–7)×10¹¹ cm⁻² の高移動度n-Si-MOSFETで、低磁場 (B < 0.8 T) 条件下でのシュビニコフ＝ド・ハース振動の測定。
• 干渉構造のフーリエ解析を用いて、ビーティングパターンの分析によりゼロ磁場でのバルク分裂Δvを抽出。
• ランダウ準位の量子化、ゼーマン分裂、バルク分裂を含む単一電子エネルギースペクトルモデルの使用：ε = ℏωc(N + ½) ± ½g*μBB ± ½Δv(B)。
• 振動の振幅および位相差の比較により、二つのバルクにおける相対的な散乱時間の推定。
• 振動特徴とランダウファンダイアグラムの相関関係をとる。低磁場におけるエネルギー準位のクロスイングを特定するため、フィリング因子ν = 1, 2, 3, 4, 6を同定。
• 弱い反局在（量子干渉）の発生に制限されるが、約0.2 Tまで高分解能磁気輸送測定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si逆転層において、低磁場 (B < 0.8 T) でシュビニコフ＝ド・ハース振動にバルク分裂の効果が現れるか？
• RQ2 高移動度Si試料におけるゼロ磁場でのバルク分裂の大きさとその密度依存性は何か？
• RQ3 観測された振動振幅の100%の変調は、両バルクでの散乱時間がほぼ等しいことによって説明可能か？
• RQ4 サブバンド間散乱は、これらの系における金属的抵抗率の温度依存性の原因となっているか？
• RQ5 エネルギー準位の階層は低磁場でどのように変化するか？また、ν=6の振動の起源を明確に特定できるか？

主な発見

• ゼロ磁場でのバルク分裂Δvは、キャリア密度範囲 (3–7)×10¹¹ cm⁻² において1.3倍以内にしか変化せず、密度依存性が弱いことが示された。
• シュビニコフ＝ド・ハース振動のビーティングパターンにおける100%の変調深さは、両バルクにおける散乱時間がほぼ等しいことを示しており、差が≤3%であると示唆する。
• 二つのバルクにおける準位幅の差が3%未満であることは、金属的抵抗率挙動の主因としてのサブバンド間散乱を除外する。
• 顕著な金属的抵抗率および「金属絶縁体転移」は、以前の仮説とは異なり、サブバンド間散乱によって駆動されていない。
• 低磁場におけるν=6の振動の起源をゼーマン分裂に明確に割り当てるには、単一電子像が準位クロスイング付近で破綻するため、明確に特定できない。
• ゼーマンエネルギーは密度が低下するに従い滑らかに増加し、フェルミ液体の再正規化と整合しており、異常な点はなく、低密度でのg*-因子の増大という以前の主張とは矛盾する。