[论文解读] Spin Transition in the ν=8/3 Fractional Quantum Hall Effect

W. Pan, K. W. Baldwin+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2012

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究通过在高质量GaAs量子阱中对激活能隙进行密度依赖性测量，探究了ν=8/3分数量子霍尔态的自旋极化特性。结果揭示了ν=8/3态中存在明显的自旋转变——当载流子密度n ≈ 0.8×10¹¹ cm⁻²时，能隙首先减小至接近零，随后随密度进一步升高而增大，表明其基态从自旋极化转变为自旋非极化，与始终单调增大的7/3态形成对比，后者始终保持自旋极化。

ABSTRACT

We present here the results from a density dependent study of the activation energy gaps of the fractional quantum Hall effect states at Landau level fillings ν=8/3 and 7/3 in a series of high quality quantum wells. In the density range from 0.5 x 10^{11} to 3 x 10^{11} cm^{-2}, the 7/3 energy gap increases monotonically with increasing density, supporting its ground state being spin polarized. For the 8/3 state, however, its energy gap first decreases with increasing density, almost vanishes at n ~ 0.8 x 10^{11} cm^{-2}, and then turns around and increases with increasing density, clearly demonstrating a spin transition.

研究动机与目标

• 研究高迁移率GaAs量子阱中ν=8/3分数量子霍尔效应的自旋极化态。
• 确定ν=8/3态是否随载流子密度变化而发生自旋转变。
• 比较ν=8/3与已被广泛证实为自旋极化的ν=7/3态的自旋依赖行为。
• 澄清ν=8/3处基态的性质，特别是其在中间密度下是否保持自旋极化或转变为自旋非极化。
• 为ν=8/3处FQHE中不同自旋态之间可能发生的转变提供实验依据。

提出的方法

• 在载流子密度范围为0.5×10¹¹至3×10¹¹ cm⁻²的条件下，测量ν=8/3和ν=7/3分数量子霍尔态的激活能隙。
• 采用高质量、宽幅GaAs量子阱以最小化无序性并增强多体态的相干性。
• 通过双栅场效应器件结构中的背栅系统性调节载流子密度。
• 从量子霍尔平台区的温度依赖电阻测量中提取能隙。
• 比较ν=8/3与ν=7/3能隙的密度依赖性，以推断自旋态的演化过程。
• 分析能隙行为以识别表明自旋转变的非单调特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 当载流子密度变化时，ν=8/3分数量子霍尔态是否表现出自旋转变？
• RQ2 随着载流子密度增加，ν=8/3态的能隙如何演化，这对其自旋极化性有何含义？
• RQ3 为何ν=8/3态表现出非单调的能隙行为，而ν=7/3态的能隙随密度单调增加？
• RQ4 ν=8/3态自旋态发生转变的临界密度是多少？该点处基态的性质是什么？
• RQ5 所观测到的行为能否由ν=8/3处FQHE态自旋交叉的理论模型加以解释？

主要发现

• ν=7/3态的能隙随载流子密度单调增加，证实其基态为自旋极化。
• ν=8/3态的能隙随密度增加而初始减小，在n ≈ 0.8×10¹¹ cm⁻²附近达到最小值。
• 在n ≈ 0.8×10¹¹ cm⁻²时，ν=8/3态的能隙几乎消失，表明其为自旋态的关键转变点。
• 在此密度以上，ν=8/3态的能隙随密度进一步升高而增大，表明能隙恢复并发生向另一自旋态的转变。
• ν=8/3态能隙的非单调行为为FQHE在该填充因子下存在自旋转变提供了直接实验证据。
• 所观测行为强烈表明，ν=8/3基态在中间密度下从自旋极化态演化为自旋非极化态，与理论预测的自旋态竞争行为一致。