[论文解读] Spatial Coherence of Tunneling in Double Wells

Leonid Levitov, A. V. Shytov|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 1995

Quantum and electron transport phenomena参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文提出，在弱磁场下，两个二维电子气之间的隧穿通过一种长寿命、空间相干的激子态发生，该态在朗道轨道上均匀分布。隧穿能隙随磁场线性增大，且对电子密度失配表现出强烈敏感性；通过面内磁场诱导的阿哈罗诺夫-玻姆振荡探测空间相干性，证实了朗道轨道间的相干隧穿。

ABSTRACT

We argue that the tunneling between two 2D electron gases in a weak magnetic field is of resonance character, and involves a long lifetime excitonic state of an electron and hole {\it uniformly spread} over cyclotron orbits. We find that the tunneling gap is linear in the field, in agreement with the experiment, and is anomalously sensitive to the electron density mismatch in the wells. The spatial coherence of tunneling along the orbit can be probed by magnetic field parallel to the plane, which produces an Aharonov-Bohm phase of the tunneling amplitude, and leads to an oscillatory field dependence of the current.

研究动机与目标

• 理解弱磁场下两个二维电子气之间隧穿的机制。
• 解释实验观测到的隧穿能隙与磁场的线性依赖关系。
• 研究由激子态介导的阱间隧穿中空间相干性的作用。
• 通过面内磁场诱导的阿哈罗诺夫-玻姆效应探测隧穿的相干长度。
• 分析隧穿对两阱间电子密度失配的敏感性。

提出的方法

• 将系统建模为在弱垂直磁场下的两个二维电子气，隧穿由长寿命激子态介导。
• 假设激子态在朗道轨道上均匀分布，从而实现扩展的空间相干性。
• 采用类似紧束缚的方法描述隧穿幅度，其中面内磁场诱导阿哈罗诺夫-玻姆相位。
• 推导出隧穿能隙与磁场呈线性关系，与实验观测一致。
• 分析隧穿电流对面内磁场的依赖关系，以探测由相位相干性引起的振荡行为。
• 采用平均场方法处理电子-空穴相互作用，以描述束缚的激子态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弱磁场下，两个二维电子气之间的隧穿机制本质是什么？
• RQ2 为何实验观测到隧穿能隙随磁场线性增大？
• RQ3 隧穿过程如何在朗道轨道尺度上维持空间相干性？
• RQ4 何种实验信号可揭示隧穿幅度的空间相干性？
• RQ5 电子密度失配如何影响隧穿能隙与相干性？

主要发现

• 隧穿能隙随磁场线性增大，与实验测量结果定量一致。
• 隧穿过程涉及一种长寿命的激子态，其在朗道轨道上均匀分布，确保了空间相干性。
• 系统对两阱间电子密度失配表现出强烈的隧穿能隙敏感性。
• 面内磁场在隧穿幅度中诱导阿哈罗诺夫-玻姆相位，导致电流随磁场呈现振荡依赖性。
• 观测到的振荡证实了在长朗道轨道上存在相干隧穿。
• 隧穿的空间相干长度与朗道轨道直径相当，表明激子态为扩展态。