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

通过光学实空间观测研究量子霍尔边缘的传播特性

• 批准号: 21J14386
• 负责人: 神山 晃範
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J14386/
• 关键词: 量子ホール効果; 分数量子ホール効果; エッジ状態; 光学顕微鏡

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。

在这项研究中，通过使用结合空间和时间分辨率的光学显微镜，我们可以看到在分数量子孔边缘高速传播的电子，还开发了新的测量系统以实现高时空和高空间精度。首先，使用光致发光（PL）作为GAAS/ALGAAS量子井的光学响应进行频闪测量，当观察到具有ν= 1/3的分数量子孔的边缘时，它成功地捕获了通过边缘传播的电子的波数据集。显微镜测量结果表明，激发不仅存在于边缘，而且在散装中也存在，并且内容汇总并发表了论文。此外，尝试了速度测量值，这是边缘的重要参数。在进行实验时，设计和制造了样品结构，并在样品上的任何位置都实现了速度测量。该公司成功地确定了电子在边缘高速传播的电子波数据包的速度，并通过进行分析，表明电子将传播为相互作用的等离子，并在会议上呈现。此外，为了检测电荷中性模式并确定速度，开发了与高频实验系统同步的泵探针弹孔反射率测量系统，并且可能显示出在分数量子孔状态下传播的电子速度测量的速度测量。与PL的情况相比，原理可以通过两个数量级改进时间分辨率，即使在较短的传播距离处也可以测量速度。这使得可以检测到静电中性模式，该模式很难通过使用光，然后测量速度来检测到正常的电气测量模式，到目前为止很难实现速度。

项目成果

エッジマグネトプラズモンの実時間顕微測定

边缘磁等离子的实时显微测量

• 发表时间: 2021
• 作者: 神山晃範;松浦雅広;Moore John;間野高明;遊佐剛
• 通讯作者: 遊佐剛

Real-time and space visualization of excitations of the nu=3 fractional quantum Hall edge

nu=3 分数量子霍尔边缘激发的实时和空间可视化

• DOI: 10.1103/physrevresearch.4.l012040
• 发表时间: 2022
• 期刊: Physical Review Research
• 影响因子: 4.2
• 作者: Kamiyama Akinori;Matsuura Masahiro;Moore John N.;Mano Takaaki;Shibata Naokazu;Yusa Go
• 通讯作者: Yusa Go

光学顕微鏡によるエッジマグネトプラズモンの空間・時間分解測定

使用光学显微镜对边缘磁等离子进行空间和时间分辨测量

• 发表时间: 2021
• 作者: 神山晃範;松浦雅広;Moore John;間野高明;遊佐剛
• 通讯作者: 遊佐剛