[论文解读] Coherence and Phase in an Electronic Mach-Zehnder Interferometer: An Unexpected Behavior of Interfering Electrons

Izhar Neder, Moty Heiblum+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2005

Quantum and electron transport phenomena参考文献 7被引用 4

一句话总结

本研究在强磁场下的整数量子霍尔效应条件下，探究了基于半导体的电子马赫-曾德尔干涉仪中的电子干涉行为。通过利用强磁场中的边缘态通道，作者观察到阿哈罗诺夫-玻姆干涉振荡中存在出人意料的“黏滑”相位行为以及叶状调制，其可见度在极大值与零点之间振荡，而相位在每个叶状区域内保持恒定，并在可见度为零时发生突变——揭示了一种此前未被解释的能量尺度，该尺度对磁场敏感但对器件几何结构不敏感。

ABSTRACT

We report the observation of an unpredicted behavior of interfering 2D electrons in the integer quantum Hall effect (IQHE) regime via a utilization of an electronic analog of the well-known Mach-Zehnder interferometer (MZI). The beauty of this experiment lies in the simplicity of two path interference. Electrons that travel the two paths via edge channels, feel only the edge potential and the strong magnetic field; both typical in the IQHE regime. Yet, the interference of these electrons via the Aharonov-Bohm (AB) effect, behaves surprisingly in a most uncommon way. We found, at filling factors 1 and 2, high visibility interference oscillations, which were strongly modulated by a lobe-type structure as we increased the electron injection voltage. The visibility went through a few maxima and zeros in between, with the phase of the AB oscillations staying constant throughout each lobe and slipping abruptly by at each zero. The lobe pattern and the 'stick-slip' behavior of the phase were insensitive to details of the interferometer structure; but highly sensitive to magnetic field. The observed periodicity defines a 'new energy scale' with an unclear origin. The phase rigidity, on the other hand, is surprising since Onsager relations are not relevant here.

研究动机与目标

• 研究在整数量子霍尔效应下，固态马赫-曾德尔干涉仪中电子相干性与相位行为。
• 理解电子干涉实验中观测到的异常干涉调制图案的起源。
• 探讨所观测到的相位刚性与可见度振荡是否源于基本的多体效应，或仅与器件特定细节有关。
• 确定所观测到的叶状结构与相位跃迁是否指向介观量子系统中的新能量尺度。

提出的方法

• 采用高迁移率HEMT异质结构制备电子马赫-曾德尔干涉仪，将电子限制在边缘通道中。
• 通过量子点接触注入电子，电子在强垂直磁场下沿由边缘态定义的两条不同路径传播。
• 通过调节栅压调控电子注入能量，测量作为磁通量函数的阿哈罗诺夫-玻姆振荡以探测干涉行为。
• 在不同磁场和注入电压下测量干涉振荡的可见度与相位。
• 系统性地改变磁场与注入电压，揭示了可见度的叶状调制以及在可见度零点处的相位突变。
• 在不同器件几何结构下重复实验，以检验所观测特征的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在二维电子气中，干涉可见度随电子注入能量呈现叶状调制？
• RQ2 为何相位在每个叶状区域内保持恒定，而在可见度极小值处突然跃迁π？
• RQ3 为何所观测到的叶状结构周期性对器件几何结构不敏感，但对磁场高度敏感？
• RQ4 由叶状结构周期性定义的新能量尺度的物理起源是什么？
• RQ5 在该系统中未满足昂萨格关系的条件下，相位刚性如何维持？

主要发现

• 干涉可见度随电子注入电压变化表现出多个极大值与零点，形成明显的叶状调制图案。
• 在每个叶状区域内，阿哈罗诺夫-玻姆振荡的相位保持恒定，表明在一定注入能量范围内具有相位刚性。
• 在每个可见度极小值处，相位突然跃迁π，该行为因突变跳跃而被称为“黏滑”行为。
• 叶状结构的周期性定义了一个新能量尺度，该尺度与器件几何结构无关，但强烈依赖于磁场。
• 相位刚性与叶状结构对干涉仪设计变化具有鲁棒性，提示其可能源于基本的多体效应或拓扑起源。
• 所观测行为无法用传统电子输运模型或昂萨格互易性解释，表明存在一种新颖的量子现象。