[论文解读] Observation of new plasmons in the fractional quantum Hall effect: interplay of topological and nematic orders

Lingjie Du, Ursula Wurstbauer+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2019

Quantum and electron transport phenomena参考文献 37被引用 17

一句话总结

本研究通过共振非弹性光散射技术，在倾斜磁场下的高迁移率二维电子体系第二 Landau 亚层中首次观测到此前未报道的 Landau 能级内等离子体振荡。这些振荡揭示了向列相中长程平动对称性，并展示了拓扑量子霍尔序与向列序之间的关键相互作用：在 ν = 5/2 处出现明显的强度极小值，表明强鲁棒的 5/2 配对超流态抑制了向列序；而在 ν = 7/3 处出现强烈的等离子体峰，表明拓扑序与向列序共存。

ABSTRACT

Collective modes of exotic quantum fluids reveal underlying physical mechanisms responsible for emergent complex quantum ground states. We observe unexpected new collective modes in the fractional quantum Hall (FQH) regime: intra-Landau-level plasmons in the second Landau level measured by resonant inelastic light scattering. The plasmons herald rotational-symmetry-breaking phases in tilted magnetic fields and reveal long-range translational invariance in these phases. The fascinating dependence of plasmon features on filling factor provide new insights on interplays between topological quantum Hall order and nematic electronic liquid crystal phases. A marked intensity minimum in the plasmon spectrum at Landau level filling factor v = 5/2 strongly suggests that this paired state, which could support non-Abelian excitations, overwhelms competing nematic phases, unveiling the robustness of the 5/2 superfluid state for small tilt angles. At v = 7/3, a sharp and strong plasmon peak that links to emerging macroscopic coherence supports the proposed model of a FQH nematic state at this filling factor.

研究动机与目标

• 探究二维电子体系第二 Landau 亚层（SLL）中拓扑量子霍尔序与向列电子液晶（QELC）序之间的相互作用。
• 利用避免边缘态中介作用的体探测技术，研究 SLL 中在倾斜磁场下旋转对称性破缺相的性质。
• 确定在特定填充因子下，特别是 ν = 5/2 和 ν = 7/3 时，向列序是否与拓扑分数量子霍尔（FQH）态共存或竞争。
• 通过观测具有明确波矢的等离子体模式，建立向列相中长程平动对称性。
• 利用共振非弹性光散射（RILS）作为体集体模式的直接探测手段，从而对奇异量子相的稳定性与相干性提供定量洞察。

提出的方法

• 在倾斜角 θ ≈ 20° 条件下，采用共振非弹性光散射（RILS）技术，测量高迁移率 GaAs/AlGaAs 量子阱中集体激发，其电子密度 n = 2.9 × 10¹⁵ m⁻²，迁移率 μ = 23.9 × 10² m²/Vs。
• 通过入射光子能量 ωL = 1526 meV 和散射几何结构，固定动量转移 q = |kL − kS|sinθ ≈ 6.4 × 10⁴ cm⁻¹。
• 等离子体能量通过 ω(q) = (1 + ξ)ωp(q) 建模，其中 ωp(q) = √(n*e²q / (2εε₀m*)) 为具有完整平动对称性的体系的二维等离子体色散关系。
• 参数 n* 定义为自旋向上 SLL 中准粒子密度，n* = n − 2eB⊥/h，用于提取等离子体色散关系与相干长度。
• 对填充因子 ν 的函数分析等离子体峰的强度与线宽（FWHM），以推断相的稳定性和相干性，归一化至 SLL 粒子密度。
• 在稀释制冷机中于低于 40 mK 的基底温度下记录 RILS 光谱，实现对弱等离子体模式的高分辨率探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在倾斜磁场下的二维电子体系第二 Landau 亚层中是否存在 Landau 能级内等离子体振荡？它们揭示了何种电子序的内在特征？
• RQ2 在 2 < ν < 3 范围内，等离子体强度与能量如何随填充因子 ν 变化？这又对向列序与拓扑 FQH 序之间的竞争或共存关系有何启示？
• RQ3 在 SLL 的向列相中，是否保持了长程平动对称性？这能否由等离子体模式的波矢依赖性来证实？
• RQ4 为何在 ν = 5/2 处等离子体谱中出现明显的强度极小值？这又对 5/2 配对超流态的稳定性有何启示？
• RQ5 在 ν = 7/3 处出现强而尖锐的等离子体峰具有何种意义？它是否支持 FQH 向列态的存在？

主要发现

• 首次在第二 Landau 亚层中观测到 Landau 能级内等离子体振荡，其能量远低于朗道能级间距，确认其为单个 Landau 能级内的集体激发模式。
• 等离子体能量 ω(q) 与准粒子密度 n* 呈平方根依赖关系，与具有完整平动对称性的体系的二维等离子体色散关系 ωp(q) = √(n*e²q / (2εε₀m*)) 一致。
• 在 ν = 5/2 处等离子体谱中出现明显的强度极小值，表明向列序受到强烈抑制，暗示 5/2 配对超流态占主导地位并稳定系统，抑制向列涨落。
• 在 ν = 7/3 处，出现尖锐而强烈的等离子体峰，表明高相干性与宏观长程序，为拓扑 FQH 序与向列序共存提供了直接实验证据。
• 由等离子体峰半高全宽（FWHM）推导出的等离子体相干长度 L 在 ν = 7/3 附近增大，支持长波长、相干的向列 FQH 态的出现。
• 在 ν = 2 和 ν = 3 处等离子体模式缺失，表明该模式特异性存在于 2 < ν < 3 范围内，与部分填充 SLL 中奇异量子相的形成密切相关。