[论文解读] Josephson-like tunnel resonance and large Coulomb drag in GaAs-based electron-hole bilayers

M. L. Davis, S. Parolo+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本研究在10 nm AlGaAs势垒的GaAs基电子-空穴双异质结中，通过毫开尔文温度下的电致掺杂，实现了约瑟夫森样隧道共振和巨大的库仑拖拽效应。在二维载流子密度约为1.1×10¹⁰ cm⁻²附近，出现尖锐的隧道电导峰和压缩率增强，表明系统发生相变，形成激子玻色-爱斯坦凝聚态（BEC）；同时，高达20 Ω的拖拽电阻证实了在莫特转变附近存在强烈的层间关联效应。

ABSTRACT

Bilayers consisting of two-dimensional (2D) electron and hole gases separated by a 10 nm thick AlGaAs barrier are formed by charge accumulation in epitaxially grown GaAs. Both vertical and lateral electric transport are measured in the millikelvin temperature range. The conductivity between the layers shows a sharp tunnel resonance at a density of $1.1 \cdot 10^{10} ext{ cm}^{-2}$, which is consistent with a Josephson-like enhanced tunnel conductance. The tunnel resonance disappears with increasing densities and the two 2D charge gases start to show 2D-Fermi-gas behavior. Interlayer interactions persist causing a positive drag voltage that is very large at small densities. The transition from the Josephson-like tunnel resonance to the Fermi-gas behavior is interpreted as a phase transition from an exciton gas in the Bose-Einstein-condensate state to a degenerate electron-hole Fermi gas.

研究动机与目标

• 在无光学激发的条件下，探测GaAs基电子-空穴双异质结中是否存在激子玻色-爱斯坦凝聚态（BEC）。
• 研究在莫特转变过程中，激子气从BEC态向简并电子-空穴费米气体的相变行为。
• 通过测量垂直方向隧道电导和横向库仑拖拽，识别相干层间耦合的特征信号。
• 利用高精度输运与电容测量，确定层间相互作用及压缩率在莫特转变附近的主导作用。

提出的方法

• 通过分子束外延法，制备了具有10 nm Al₀.₈Ga₀.₂As势垒的高迁移率GaAs基异质结结构。
• 采用柱状和十字形器件结构，在20 mK温度下测量层间隧道电导与横向库仑拖拽。
• 施加直流与交流电压偏置，利用锁相技术在283 Hz频率下提取隧道电导与电容。
• 采用线性网络模型校正掺杂层电阻，提取本征拖拽电阻率。
• 通过电控方式将二维载流子密度降低至1×10¹⁰ cm⁻²，以进入BEC态与费米气体态区域。
• 基于60 mK下二维费米气体的理论预测，结合层间距离参数，对拖拽电阻率进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温与低载流子密度条件下，GaAs基电子-空穴双异质结中是否会出现约瑟夫森样隧道共振？
• RQ2 在莫特转变附近，层间电导与压缩率是否出现可测量的增强，表明存在激子BEC？
• RQ3 库仑拖拽电阻率如何跨越莫特转变演化？其值是否超过非相互作用费米气体的理论预测？
• RQ4 层间相互作用在何种机制下能维持大拖拽电压，即使单层电导率较低？

主要发现

• 在载流子密度为1.1×10¹⁰ cm⁻²时，出现尖锐的隧道电导共振，与激子BEC中约瑟夫森样增强隧道效应一致。
• 在1.525 V处电容呈现阶梯式上升，表明压缩率增强，且层间有效距离减小，指示向激子态的相变。
• 本征库仑拖拽电阻率在载流子密度约1.5×10¹⁰ cm⁻²时达到最大值20 Ω，显著高于非相互作用费米气体的理论预测值。
• 隧道共振与拖拽电阻最大值在相同密度下出现，表明二者具有相同的物理起源，即激子BEC相。
• 在更低密度下，由于二维层电导率降低，拖拽电阻率随之减小，限制了进一步测量。
• 观测到的行为与从BEC态激子气向简并电子-空穴费米气体的相变行为一致，跨越莫特转变。