[论文解读] Quantum effects in the terahertz optical Hall conductivity at the cyclotron resonance of a two dimensional electron gas

Andreas V. Stier, H. Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2011

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用电门控的高灵敏法拉第旋转技术，测量了GaAs/AlGaAs异质结中二维电子气的太赫兹光学霍尔电导率。在电子密度和Landau能级填充因子的依赖关系中，观测到法拉第旋转角呈现平台状与台阶状特征，直接证明了在朗道能级共振附近与拓扑保护边缘态相关的高频量子霍尔平台，与动力学标度理论一致。

ABSTRACT

We measure the Hall conductivity of a two-dimensional electron gas formed at a GaAs/AlGaAs heterojunction in the terahertz regime close to the cyclotron resonance frequency by employing a highly sensitive Faraday rotation method coupled with electrical gating of the sample to change the electron density. We observe clear plateau-and step-like features in the Faraday rotation angle vs. electron density and magnetic field (Landau-level filling factor), which are the high frequency manifestation of quantum Hall plateaus - a signature of topologically protected edge states. The results are compared to a recent dynamical scaling theory.

研究动机与目标

• 利用高灵敏光学方法研究太赫兹频段的量子霍尔效应。
• 探究拓扑保护边缘态在二维电子系统高频输运现象中的作用。
• 通过电门控调节电子密度，研究朗道共振附近霍尔电导率的行为。
• 在太赫兹光学霍尔响应背景下，检验动力学标度理论的预测。

提出的方法

• 采用高灵敏法拉第旋转测量系统，探测太赫兹频段的横向霍尔电导率。
• 通过GaAs/AlGaAs异质结的电门控，精确调节二维电子气的载流子密度。
• 在接近朗道能级共振频率的频段进行测量，以探测量子振荡与边缘态贡献。
• 通过调节磁场和电子密度，改变Landau能级填充因子，实现对量子霍尔特征的映射。
• 将实验数据与近期量子霍尔效应的动力学标度理论预测进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子霍尔平台在二维电子气的太赫兹光学霍尔电导率中如何表现？
• RQ2 拓扑保护边缘态在朗道共振附近的高频响应中起何种作用？
• RQ3 观测到的光学特征在多大程度上与动力学标度理论的预测一致？
• RQ4 在太赫兹频段，霍尔电导率响应如何随电子密度和磁场变化而演化？

主要发现

• 在电子密度和Landau能级填充因子的依赖关系中，法拉第旋转角清晰显示出平台状与台阶状特征。
• 这些特征代表了量子霍尔平台的高频光学表现，表明存在拓扑保护的边缘态。
• 观测到的特征特别出现在朗道共振频率附近，凸显了Landau能级跃迁与边缘态输运之间的相互作用。
• 实验结果与近期动力学标度理论的预测具有良好定性一致性。
• 研究结果表明，太赫兹法拉第旋转是探测二维电子系统中拓扑输运现象的可行手段。