[论文解读] Experimental realization of a primary-filling e/3 quasiparticle interferometer

Fernando Camino, Wei Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2006

Advanced Measurement and Metrology Techniques参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究通过电子束光刻技术，利用两个宽狭缝包围的二维电子岛，在1/3分数量子霍尔态中实验演示了主填充的e/3任意子干涉仪。以3h/e为磁通周期、e/3为电荷周期的电导振荡，证实了Laughlin任意子的任意统计性质，为拓扑量子系统中的分数统计提供了直接证据。

ABSTRACT

We report experiments on a Laughlin quasiparticle interferometer where the entire system is on the 1/3 primary fractional quantum Hall plateau. Electron-beam lithography is used to define an approximately circular 2D electron island separated from the 2D bulk by two wide constrictions. The interferometer consists of counterpropagating chiral edge channels coupled by quantum-coherent tunneling in the two constrictions, thus enclosing an island area. Interference fringes are observed as conductance oscillations, similar to the Aharonov-Bohm effect. The flux and charge periods of the interferometer device are calibrated with electrons in the integer quantum Hall regime. In the fractional regime we observe magnetic flux and charge periods h/e and e/3, respectively, corresponding to creation of one quasielectron in the island. Quantum theory predicts a 3h/e flux period for charge e/3, integer statistics particles. Accordingly, the observed periods demonstrate the anyonic statistics of Laughlin quasiparticles.

研究动机与目标

• 在主填充的1/3分数量子霍尔态中实现任意子干涉仪。
• 通过干涉测量探测Laughlin任意子的任意统计性质。
• 利用整数量子霍尔态校准分数 regime 中的磁通和电荷周期。
• 实验检验量子理论对e/3任意子3h/e磁通周期性的预测。
• 在固态平台中展示涉及任意子的相干量子干涉。

提出的方法

• 利用电子束光刻技术，制造一个由两个宽狭缝与体材料隔离的圆形二维电子岛。
• 干涉仪通过在两个狭缝处发生量子相干隧穿的反向传播手性边缘通道工作。
• 测量电导随穿过电子岛的磁通的变化，观察到干涉条纹。
• 在整数量子霍尔 regime 中利用电子校准磁通和电荷周期。
• 在填充因子ν = 1/3的分数量子霍尔 regime 中重复测量。
• 实验检验e/3任意子3h/e磁通周期性的理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在主填充的1/3分数量子霍尔态中实现任意子干涉仪？
• RQ2 在分数 regime 中观测到的磁通周期和电荷周期是否与e/3任意子的3h/e和e/3理论预测一致？
• RQ3 干涉条纹是否与Laughlin任意子的任意统计性质一致？
• RQ4 能否利用边缘通道之间的量子相干隧穿在固态系统中探测任意统计性质？
• RQ5 二维电子岛的几何结构在实现任意子相干干涉中起到什么作用？

主要发现

• 在1/3分数量子霍尔 regime 中观测到磁通周期为3h/e的电导振荡。
• 测得电荷周期为e/3，与电子岛中产生单个准电子的预期一致。
• 观测到的3h/e磁通周期与e/3任意子具有任意统计性质的理论预测相符。
• 在分数 regime 中观测到干涉条纹，证实了相干量子隧穿和拓扑相位累积。
• 整数量子霍尔 regime 中的校准确保了磁通和电荷周期的精确测定。
• 结果为固态量子霍尔系统中任意统计性质提供了直接实验证据。