[论文解读] Synthesizing a Fractional v=2/3 State from Particle and Hole States

Yonatan Cohen, Yuval Ronen+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2018

Quantum and electron transport phenomena参考文献 18被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种新颖的双量子阱平台，通过调控粒子（v=1）和空穴（v=1/3）态产生的反向传播边缘模式，实现分数量子霍尔态v=2/3的合成。通过调节栅压和磁场，实现了这些模式之间的受控平衡，实验观测到从非平衡模式（G2T = 4/3 e²/h）到完全平衡的v=2/3态（具有下游电荷模式和上游中性模式）的转变。

ABSTRACT

Topological edge-reconstruction occurs in hole-conjugate states of the fractional quantum Hall effect. The frequently studied polarized state of filling factor v=2/3 was originally proposed to harbor two counter-propagating edge modes: a downstream v=1 and an upstream v=1/3. However, charge equilibration between these two modes always led to an observed downstream v=2/3 charge mode accompanied by an upstream neutral mode (preventing an observation of the original proposal). Here, we present a new approach to synthetize the v=2/3 edge mode from its basic counter-propagating charged constituents, allowing a controlled equilibration between the two counter-propagating charge modes. This novel platform is based on a carefully designed double-quantum-well, which hosts two populated electronic sub-bands (lower and upper), with corresponding filling factors, vl & vu. By separating the 2D plane to two gated intersecting halves, each with different fillings, counter-propagating chiral modes can be formed along the intersection line. Equilibration between these modes can be controlled with the top gates' voltage and the magnetic field. Our measurements of the two-terminal conductance G2T and the presence of a neutral mode allowed following the transition from the non-equilibrated charged modes, manifested by G2T=(4/3)e2/h, to the fully equilibrated modes, with a downstream charge mode with G2T=(2/3)e2/h accompanied by an upstream neutral mode.

研究动机与目标

• 为克服传统v=2/3系统中固有的电荷平衡效应，该效应会掩盖原始的双模态理论构想。
• 构建一个平台，使来自粒子态和空穴态的反向传播手性模式能够被隔离和调控。
• 实现一种可调谐系统，以观测从非平衡到平衡边缘模式的转变过程。
• 通过两终端电导测量，确认下游v=2/3电荷模式与上游中性模式的出现。

提出的方法

• 设计一种双量子阱异质结构，包含两个电子上分离的二维子能带（下层和上层），其填充因子分别为vl和vu。
• 使用分体式顶部栅极定义两个具有不同填充因子的交叉区域，从而在界面处形成反向传播的手性边缘模式。
• 通过调节顶部栅极电压和磁场，控制反向传播模式之间的平衡。
• 测量两终端电导（G2T），以追踪从非平衡模式（G2T = 4/3 e²/h）到平衡模式（G2T = 2/3 e²/h）的转变过程。
• 通过电导抑制和模式重构，观测到中性模式的存在，从而确认预期的边缘结构。
• 利用具有可调载流子密度和磁场的二维电子气，实现所需的填充因子和边缘模式构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在实验中实现从非平衡反向传播边缘模式到完全平衡v=2/3态的受控转变？
• RQ2 所设计的双量子阱平台是否允许对粒子态和空穴态模式进行隔离与调控，以模拟v=2/3边缘结构？
• RQ3 从两个独立模式向单个平衡模式（伴随中性模式）转变的电导特征是什么？
• RQ4 在平衡过程中，中性模式如何在两终端电导中体现？
• RQ5 系统是否可被调节以观测到预测的v=2/3态，其特征为下游电荷模式与上游中性模式？

主要发现

• 在非平衡区域，系统表现出两终端电导G2T = 4/3 e²/h，与两个独立反向传播模式一致。
• 随着栅压增加并调节磁场，电导转变为G2T = 2/3 e²/h，表明完全平衡为下游v=2/3电荷模式。
• 通过电导抑制以及平衡区域中无反向散射的现象，证实了上游中性模式的存在。
• 通过栅压和磁场的调节，该转变过程可连续调控，实现了对边缘模式平衡的精确控制。
• 实验结果验证了理论构想：v=2/3态由v=1和v=1/3模式形成，且在平衡过程中出现中性模式。