[论文解读] Dynamical symmetry breaking as the origin of the zero-$dc$-resistance state in an $ac$-driven system

A. V. Andreev, I. L. Aleǐner+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2003

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本文将交流驱动的二维电子系统中零直流电阻态解释为由于负线性响应耗散电阻率引起的动力学对称性破缺的结果。当 $ρ_d(j=0) < 0$ 时，系统变得不稳定，自发地在除奇点外的所有位置形成电流密度 $j_0$，导致耗散电场消失且电阻为零，与 Mani 和 Zudov 的实验观测一致。

ABSTRACT

Under a strong $ac$ drive the zero-frequency linear response dissipative resistivity $ρ_{d}(j=0)$ of a homogeneous state is allowed to become negative. We show that such a state is absolutely unstable. The only time-independent state of a system with a $ρ_{d}(j=0)&lt;0$ is characterized by a current which almost everywhere has a magnitude $j_{0}$ fixed by the condition that the nonlinear dissipative resistivity $ρ_{d}(j_{0}^{2})=0$. As a result, the dissipative component of the $dc$ electric field vanishes. The total current may be varied by rearranging the current pattern appropriately with the dissipative component of the $dc$-electric field remaining zero. This result, together with the calculation of Durst \emph{et. al.}, indicating the existence of regimes of applied $ac$ microwave field and $dc$ magnetic field where $ρ_{d}(j=0)&lt;0$, explains the zero-resistance state observed by Mani \emph{et. al.} and Zudov \emph{et. al.}.

研究动机与目标

• 解释交流驱动二维电子系统中实验观测到的零直流电阻态。
• 建立负线性响应电导率与无耗散输运之间的一般机制。
• 表明当 $ρ_d(j=0)$ 为负时，系统会变得不稳定，并在 $j_0$ 处自发形成电流，此时 $ρ_d(j_0^2) = 0$。
• 证明在该状态下，直流电场的耗散分量消失，从而实现零电阻。
• 将理论预测与微波辐照下电阻振荡及电阻率消失的实验观测联系起来。

提出的方法

• 使用非线性电阻率模型 $ρ_d(j^2)$ 分析在静态磁场和交流电场作用下的二维电子气中的直流输运行为。
• 假设 $ρ_d(j^2)$ 是连续且实数的，在某些参数区域满足 $ρ_d(0) < 0$，且在有限 $j_0$ 处满足 $ρ_d(j_0^2) = 0$。
• 利用条件 $ρ_d(j_0^2) = 0$ 定义一个具有零耗散电场的稳定电流态。
• 应用能量守恒：$j^2 \rho_d(j^2) + \mathcal{P}_{ac} > 0$，允许在持续能量输入下出现负 $ρ_d$。
• 分析均匀零电流态的稳定性，表明当 $ρ_d(0) < 0$ 时该态不稳定。
• 将畴壁和涡旋核心建模为 $j \neq j_0$ 的奇点，从而实现电流分布的重构而不产生耗散电场。

实验结果

研究问题

• RQ1 负线性响应耗散电阻率 $ρ_d(j=0) < 0$ 是否能导致稳定的零电阻态？
• RQ2 当 $ρ_d(j=0) < 0$ 时，所出现的定态具有何种性质？
• RQ3 尽管存在非零电流，系统如何实现耗散电场的消失？
• RQ4 $ρ_d(j_0^2) = 0$ 条件在稳定零电阻态中起什么作用？
• RQ5 系统的响应如何依赖于电流大小、温度和磁场？

主要发现

• 在 $ρ_d(j=0) < 0$ 条件下，均匀零电流态在动力学上不稳定，导致自发形成电流。
• 唯一稳定的定态是除孤立奇点外所有位置均具有电流密度 $j_0$ 的状态，此时 $ρ_d(j_0^2) = 0$。
• 耗散电场的直流分量消失，因为 $<\mathbf{j}|\mathbf{E}\u003E = 0$ 在 $j_0$ 态中成立。
• 系统可通过调节畴壁位置维持任意小于阈值的净直流电流，同时保持耗散电场为零。
• 预测了电流和温度的阈值行为，当温度降低或电流超过临界值时，零电阻会急剧出现。
• 畴壁处的电荷积累导致非局域电势差，可能通过局域探测手段检测到。