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횡 전자 집속에서 스핀 분할 피크의 온도 의존성

초록

우리는 n형 GaAs를 사용하여 수행된 횡방향 전자 집속 측정의 실험 결과를 제시합니다. 작은 횡방향 자기장(B ), 전자는 인젝터에서 검출기로 집중되어 B에서 주기적인 포커싱 피크로 이어집니다. . 홀수 초점 피크가 분할을 나타내는 것을 보여줍니다. 여기서 각 하위 피크는 인젝터에서 나오는 특정 스핀 분기의 모집단을 나타냅니다. 온도 의존성은 피크 분할이 저온에서 잘 정의되는 반면 고온에서는 번져 인젝터의 교환 구동 스핀 분극이 저온에서 지배적임을 나타냅니다.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

GaAs/AlGaAs 이종 구조의 계면에 형성된 2차원 전자 가스(2DEG)를 사용하여 구현된 준 1차원(1D) 시스템을 통한 전자 수송이 광범위하게 연구되었습니다. 1D 시스템은 전도도 양자화 [1–3]가 \(n\times \frac {2e^{2}}{h}\ 단위인 상호 작용하지 않는 양자 역학 시스템을 상상할 수 있는 뛰어난 플랫폼을 제공합니다. ), 여기서 n =1,2,3...은 서로 다른 1D 에너지 부분대역이지만 다물체 물리학을 탐구하는 장소이기도 합니다[4-9]. 최근, 초기 Wigner 결정화로 이어지는 저밀도 1D 시스템의 풍부한 위상에 대한 예측 및 실험적 시연으로 인해 다물체 1D 시스템의 물리학의 발전이 가속화되고 있습니다[6, 7, 10]. 또한, 다물체 1D 시스템의 프레임워크에서 0.7 컨덕턴스 이상 현상의 기원은 여전히 ​​논쟁의 여지가 있습니다[11-15]. 0.7 이상은 두 가지 주요 특징이 있습니다. 첫째, 면내 자기장이 존재할 때 0.7 이상은 \(0.5\times \frac {2e^{2}}{h}\) 고원으로 진화하여 이를 나타냅니다. 스핀과 관련이 있습니다[4]. 둘째, 0.7 이상은 온도가 감소(증가)함에 따라 약화(강화)되는 것으로 밝혀졌다[4]. 이러한 놀라운 관찰은 0.7 이상과 관련된 고유 스핀 분극을 조사하기 위한 많은 이론적 및 실험적 시도로 이어졌습니다. 그러나 이 이상 현상의 기원에 대해서는 일치된 의견이 없습니다[11-15]. 따라서 0.7 이상에 대해 더 많은 빛을 비추기 위해서는 1D 채널 내에서 스핀 편광에 대한 직접 측정을 수행하는 것이 필수적입니다.

TEF(Transverse Electron Focusing) 기반 방식은 스핀 분극을 해결하기 위해 제안되었으며[16, 17] p형 GaAs[18, 19] 및 n형 InSb[20]에서 검증되었습니다. 이 방식 내에서 교환 상호 작용으로 인해 발생하는 스핀 분극은 첫 번째 포커싱 피크의 두 하위 피크의 비대칭에서 추출할 수 있습니다. 최근에 우리는 스핀이 공간적으로 분리된 1D 전자의 주입이 첫 번째 포커싱 피크에서 분할 형태로 감지될 수 있음을 보여주었습니다. 여기서 두 개의 하위 피크는 감지된 스핀 상태의 모집단을 나타냅니다[21]. 현재 작업에서 우리는 스핀 분할 첫 번째 포커싱 피크의 온도 의존성을 보고하고 두 스핀 종 사이에 존재하는 스핀 갭을 기반으로 결과를 분석합니다.

<섹션 데이터-제목="방법">

메소드

현재 연구에서 연구된 장치는 GaAs/Al 0.33 계면에 형성된 고이동도 2차원 전자 가스(2DEG)로 제작되었습니다. 0.67 헤테로 구조로. 1.5K에서 측정된 전자 밀도(이동도)는 1.80×10 11 cm −2 (2.17×10 6 cm 2 V −1 s −1 ) 따라서 평균 자유 경로는 10 μ 이상입니다. m은 전자 전파 길이보다 훨씬 큽니다. 실험은 표준 잠금 기술을 사용하여 격자 온도가 20mK인 극저온 희석 냉장고에서 수행되었습니다. 온도 의존성 측정 범위는 20mK에서 1.8K까지였습니다.

결과 및 토론

그림 1a는 삽입된 장치를 사용하여 얻은 일반적인 집속 스펙트럼과 함께 실험 설정을 보여줍니다. 집속 장치는 주입기와 검출기를 별도로 제어하여 둘 사이의 혼선 가능성을 방지할 수 있도록 특별히 설계되었습니다[21-23]. 인젝터 및 디텍터에 사용되는 양자선은 500nm의 폭(가는 방향)과 800nm의 길이(전류 흐름 방향)를 갖는다. 인젝터와 검출기 모두 그림 1b와 같이 잘 정의된 컨덕턴스 안정기를 보여줍니다. 장치에 대한 자세한 내용은 그림 1의 캡션에 나와 있습니다.

<그림>

실험 설정 및 장치 특성. 인젝터와 검출기가 모두 G 0으로 설정된 횡방향 전자 포커싱의 대표적인 플롯 (2e 2 /시간). V 참조 검출기 양단의 전압 강하입니다. 포커싱 피크는 양의 자기장으로 잘 정의되며 신호는 음의 자기장에서 무시할 수 있습니다. 첫 번째 피크는 뚜렷한 분할을 보여줍니다. 두 개의 하위 피크는 피크 I 및 피크 II로 강조 표시되었습니다. 삽입은 장치의 SEM 이미지를 보여줍니다. 인젝터와 검출기 사이의 간격은 1.5 μ입니다. 중. 빨간색 사각형은 옴 접점을 형성하는 반면 두 쌍의 회색 게이트(왼쪽 및 상단)는 각각 인젝터와 검출기를 형성합니다. 스케일 바는 2 μ입니다. 중. 인젝터와 검출기의 컨덕턴스 특성

음의 자기장에서 전자가 반대 방향으로 구부러져 검출기를 놓치기 때문에 측정된 신호는 거의 0입니다. Shubnikov-de Haas 진동과 양자 홀 효과가 관찰에 기여하지 않는다는 것도 분명합니다. 작은 양의 횡방향 자기장(B ) 전자는 주입기에서 검출기로 집중되어 B에서 주기적인 포커싱 피크로 이어집니다. 감지된 신호는 음의 자기장 끝에서 무시할 수 있습니다. [23],

관계를 사용하여 60mT의 계산된 주기성 $$ B_{포커스}=\frac{\sqrt{2}\hbar k_{F}}{eL} $$ (1)

실험 결과와 잘 일치한다. 여기, e 는 기본 전하이고 \(\hbar \)는 감소된 플랑크 상수, L 는 인젝터와 검출기 사이의 간격입니다(90° 집속 장치 기하학에서 이것은 대각선 방향을 따른 간격입니다). 반고전적 전자 사이클로트론 궤도의 징후인 주기적인 포커싱 피크 외에도 홀수 번째 포커싱 피크의 분할을 주목하는 것이 흥미롭습니다. 홀수 포커싱 피크의 이러한 비정상적인 분할은 스핀-궤도 상호작용(SOI)[16, 17]에서 발생하고 GaAs 홀 가스[18, 19] 및 InSb 전자 가스[20]에서 성공적으로 관찰되었다고 제안됩니다. 우리는 최근 부분적으로 분극되고 공간적으로 분리된 1D 전자를 보유하는 더 긴 양자 와이어가 분극된 1D 전자를 2D 영역으로 주입하는 데 사용되는 n-GaAs[21]에서 홀수 포커싱 피크의 분할을 시연한 다음 후속적으로 검출기를 가로질러 측정했습니다. 첫 번째 초점 피크에서 분할 형태. 여기에서 우리는 가로 전자 포커싱을 통해 1D 채널 내의 스핀 상태에 대한 열 효과를 조사하는 데 관심이 있습니다. 열에너지 k B T 초과 2 Δ 전자(Δ E는 이론적인 예측과 일치하는 두 개의 스핀 가지 사이의 에너지 차이입니다[17].

온도 의존성 효과를 논의하기 전에 관찰된 피크 분할을 담당하는 메커니즘을 이해하는 것이 중요합니다. 그림 2a, b는 인젝터(하단 쌍)와 검출기(왼쪽 쌍)를 형성하는 분할 게이트의 전위 프로파일을 보여줍니다. SOI가 있는 경우 두 개의 스핀 종은 그림 2a와 같이 서로 다른 사이클로트론 반경을 따르므로 첫 번째 포커싱 피크에서 두 개의 하위 피크가 생성됩니다. 그러나 그림 2b와 같이 분할 게이트에 의해 생성된 정전기 전위의 경계에서 산란이 관련된 두 번째 집속 피크의 경우 상황이 다릅니다. 이 경우 스핀업 전자(색상 도표의 빨간색 화살표)는 처음에 더 작은 사이클로트론 반경을 따르지만 산란 [16, 17] 후에는 더 큰 반경을 가지며 스핀다운 전자(흰색 화살표)의 경우도 그 반대입니다. , 따라서 두 개의 스핀 종은 검출기에서 다시 결합합니다. 피크 분할에 대한 근본적인 이유는 그림 2c, d의 k-공간에서 찾을 수 있습니다. 여기에서 우리는 회전-궤도 상호작용이 Rashba 유형이라고 가정합니다. 그러나 분석은 대량의 Dresselhaus 효과에도 유효합니다. 첫 번째 포커싱 피크(그림 2c)의 경우 두 스핀 종은 (0, k y ) ~ (-k x , 0) 다른 페르미 표면을 따라. 두 번째 포커싱 피크(그림 2d)의 경우 산란 전에 동일한 주장이 적용됩니다. 그러나 산란 후 스핀 방향이 유지되는 동안 운동량은 부호를 변경합니다[16]. 따라서 초기에 내부 페르미 표면을 점유하고 있던 스핀업 전자(빨간색 화살표)는 산란 후 외부 페르미 표면으로 도약하여 운동량의 부호와 스핀 방향이 올바른 순서에 있음을 보장합니다(호핑은 다음으로 강조 표시됩니다. 그림 2d의 두꺼운 파란색 화살표 및 스핀다운 전자의 경우 그 반대. 사이클로트론 반경은 운동량에 비례하므로 2개의 페르미 표면 사이를 뛰어다니며 단일 두 번째 포커싱 피크로 이어지는 결과로 좌표 공간에서 사이클로트론 반경의 변화가 발생합니다.

<그림>

피크 분할 메커니즘. , b 각각 첫 번째 및 두 번째 포커싱 피크에 대한 좌표 공간의 피크 분할. 빨간색과 흰색 화살표는 스핀업 및 스핀다운 전자를 나타내고, 색상 블록은 정전기 전위를 나타내며 빨간색 점선은 사이클로트론 반경이 더 작은 반면 노란색 점선은 사이클로트론 반경이 더 큽니다. , d 첫 번째 및 두 번째 포커싱 피크 각각에 대한 k-공간의 피크 분할. 전자는 (0, k y에서 이동합니다. ) ~ (-k x , 0) 플롯에서 시계 반대 방향(c) ). 줄거리(d ), 두꺼운 파란색 화살표는 인젝터와 검출기 사이에 형성된 정전기 전위의 경계에서 반사 후 전이를 강조 표시합니다.

그림 3 a–c는 인젝터를 0.5G 0으로 설정한 상태에서 포커싱 결과의 온도 의존성을 보여줍니다. , G 0 및 1.8G 0 각각 격자 온도가 20mK(전자 온도는 약 70mK로 보정됨)에서 1.8K로 증가하고 그림 3d–f는 그림 3a–c의 데이터 확대를 보여줍니다. , 각각. G i =0.5G0 (그림 3a) 더 높은 온도에서 점차적으로 넓어지는 단일 피크가 관찰됩니다(하나의 스핀 서브밴드만 점유됨). 또한, 포커싱 피크는 스펙트럼의 중심으로 이동하고 더 높은 온도에서 대칭이 됩니다(하단 트레이스, T 참조). =1.8K, 그림 3a, d). 이것은 상대적으로 높은 온도에서 두 개의 스핀 서브밴드 사이의 가능한 전자 전이 때문일 수 있습니다. 이에 비해 G의 경우 =G 0 (그림 3b), 각각 스핀 상태를 나타내는 하위 피크는 20mK에서 1.2K까지 존재합니다. 그러나 두 개의 하위 피크로 이어지는 첫 번째 포커싱 피크의 딥은 1.8K에서 번집니다( 도 3b, e). G와 함께 1.8 G로 설정 0 (그림 3c), 분할이 잘 해결되지 않고 왼쪽 하위 피크(I)가 스펙트럼을 지배합니다. 우리는 온도가 증가함에 따라 피크 I이 점차적으로 진폭이 감소하여 1.8K에서 비대칭 첫 번째 포커싱 피크를 초래한다는 점에 주목합니다. n-형 InSb에서는 10K에서도 분할이 뚜렷했으며 이는 피크 분할은 약 60mT로, InSb[20]에서 강한 SOI를 나타내며, 이는 현재의 경우에 측정된 5.5mT의 피크 분할보다 한 차수 더 큽니다.

<그림>

TEF의 온도 의존성. 인젝터는 0.5 G로 설정되었습니다. 0 , G 0 및 1.8G 0 , 각각. 격자 온도는 20mK(상단 트레이스)에서 1.8K(하단 트레이스)로 증가했습니다. 데이터는 명확성을 위해 수직으로 오프셋되었습니다. d -f , 데이터 확대(a )-(c )

두 개의 하위 피크가 부분적으로 겹칠 수 있음을 고려하여 피크 너비와 진폭을 정확하게 추출하기 위해 두 개의 Lorentzian 피크를 사용하여 관계식을 사용하여 그림 4a와 같이 실험 데이터를 재구성합니다.

$$ A(B) =\sum\limits_{i=1,2} A_{i} \times \frac{\gamma_{i}^{2}}{\gamma_{i}^{2}+(B -B_{i})^{2}} $$ (2) <그림>

온도 의존성 데이터 분석. 상단의 플롯은 G에 대한 것입니다. =G 0 , 하단은 G용입니다. =1.8 G 0 . 20mK에서 두 개의 Lorentzian 피크로 첫 번째 초점 피크를 재구성합니다. 파란색 실선은 실험 데이터이고, 녹색 원형 마커는 피크 I에 적합하고, 빨간색 정사각형 마커는 피크 II에 적합하고, 마젠타색 다이아몬드 마커는 재구성된 초점 피크를 강조 표시합니다. FHWM, γ 온도의 함수로:두 경우 모두 온도가 증가함에 따라 하위 피크가 넓어집니다. 마커는 플롯(a ). G로 측정한 편광 =G 0 약 0.6 % 변동 . 한편, G로 측정한 편광은 =1.8 G 0 기하급수적 붕괴를 따릅니다.

여기서 A i 피크 i의 진폭입니다. ( =1, 피크 I 및 피크 II에 대해 각각 2), γ 반값의 전체 너비(FWHM)를 나타내며 B 정상의 중심이다. 피팅에서 두 가지 눈에 띄는 결과를 추출할 수 있습니다. 먼저 그림 4b에서 γ (피크 I 및 피크 II를 나타내는 트레이스와 기호에 대한 자세한 내용은 그림 4의 캡션 참조) 피크 I 및 피크 II 모두에 대해 하위 피크의 열 확장을 나타내는 인젝터 전도도에 관계없이 온도가 상승함에 따라 증가합니다. 고온에서 피크 분할. G의 피크 I은 =1.8G 0 다른 피크(두 피크 모두 G)에 비해 온도에 대해 상대적으로 견고합니다. 0 1.8G의 피크 II 0 ). 둘째, 측정된 스핀 분극 p \(\left (p=\left |\frac {A_{1}-A_{2}}{A1+A_{2}}\right | \right)\) 및 G =G 0 약 0.6 % 변동 컨덕턴스 안정기에서의 스핀 분극은 온도에 관계없이 0으로 유지되어야 한다는 사실과 일치하는 명시적인 온도 의존성을 나타내지 않습니다(그림 4c, 상단 플롯). 반면에 G 1.8 G로 설정 0 , 추출된 스핀 분극은 5에서 0.8 %로 감쇠합니다. (그림 4d, 하단 플롯) 관계식 [15],

$$ p =\alpha exp\left(-\frac{k_{B} T}{\Delta E}\right) + c $$ (3)

여기서 α 진폭을 설명하는 전인자, k 볼츠만 상수, Δ 는 두 스핀 가지와 c 사이의 에너지 차이입니다. 실험의 불확실성으로 인해 발생하는 작은 잔존 가치를 설명합니다. Δ 값을 추출했습니다. 약 0.041 meV(0.5K에 해당)가 됩니다. 이론 [17]은 분할이 k까지 지속되어야 한다고 예측합니다. 2 Δ 초과 (즉, 우리의 경우 1K) 피크 분할이 최대 1.2K까지 관찰 가능하다는 우리의 결과와 합리적으로 잘 일치합니다.

결론

결론적으로, 우리는 두 스핀 상태의 기여가 첫 번째 포커싱 피크에서 두 개의 하위 피크로 나타나는 횡단 전자 포커싱의 온도 의존성을 보여주었습니다. 피크 분할은 20mK에서 1.2K까지 잘 정의되며 이 온도를 넘어서면 피크 분할이 번지는 것으로 관찰되었습니다. 더욱이, 포커싱 피크는 열 여기로 인해 두 스핀 가지 사이에 가능한 평형을 나타내는 고온에서 대칭이 되는 경향이 있습니다.

이 작업은 영국의 EPSRC(Engineering and Physical Sciences Research Council)에서 자금을 지원합니다.


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