Investigation of propagation characteristics of quantum Hall edge by optical real-space observation

本研究では、空間分解能と時間分解能を併せ持つ光学顕微鏡を用いることで、分数量子ホールのエッジを高速で伝播する電子を可視化し、さらには高時間・高空間精度を達成するために新たな測定系の開発を行った。まず、試料であるGaAs/AlGaAs量子井戸の光学応答としてフォトルミネッセンス(PL)を利用したストロボ測定を行い、ν=1/3の分数量子ホールのエッジを観察したところ、エッジを伝播する電子の波束を捉えることに成功した。顕微測定によりエッジだけでなくバルクにも励起が存在することが判明し、内容をまとめて論文発表を行った。さらに、エッジの重要なパラメータである速度測定を試みた。実験を行うにあたり、試料構造の設計と作製を行い、試料上の任意の位置における速度測定を実現した。エッジを高速で伝播する電子の波束の速度を決定することに成功し、解析を行うことで電子が相互作用するプラズモンとして伝播していることを示し、学会にて発表を行った。また、電荷中性モードの検出や速度の決定を目的として高周波実験系と同期したポンプ-プローブストロボ反射測定系を開発し、分数量子ホール状態を伝播する電子の速度測定が可能なことを示した。PLの場合と比較して、時間分解能が原理的には2桁改善し、短い伝播距離においても速度の測定が可能となった。これにより、通常の電気測定において検出困難である電化中性モードを光により検出した上で、これまで実現困難であった速度測定が可能となったと考えられる。

本研究では、空間分解能と時間分解能を併せ持つ光学顕微鏡を用いることで、分数量子ホールのエッジを高速で伝播する電子を可視化し、さらには高時間・高空間精度を達成するために新たな測定系の開発を行った。まず、試料であるGaAs/AlGaAs量子井戸の光学応答としてフォトルミネッセンス(PL)を利用したストロボ測定を行い、ν=1/3の分数量子ホールのエッジを観察したところ、エッジを伝播する電子の波束を捉えることに成功した。顕微測定によりエッジだけでなくバルクにも励起が存在することが判明し、内容をまとめて論文発表を行った。さらに、エッジの重要なパラメータである速度測定を試みた。実験を行うにあたり、試料構造の設計と作製を行い、試料上の任意の位置における速度測定を実現した。エッジを高速で伝播する電子の波束の速度を決定することに成功し、解析を行うことで電子が相互作用するプラズモンとして伝播していることを示し、学会にて発表を行った。また、電荷中性モードの検出や速度の決定を目的として高周波実験系と同期したポンプ-プローブストロボ反射測定系を開発し、分数量子ホール状態を伝播する電子の速度測定が可能なことを示した。PLの場合と比較して、時間分解能が原理的には2桁改善し、短い伝播距離においても速度の測定が可能となった。これにより、通常の電気測定において検出困難である電化中性モードを光により検出した上で、これまで実現困難であった速度測定が可能となったと考えられる。