Quanten-Hall-Effekt und Zyklotronresonanz als komplementäre Untersuchungsmethoden ungeordneter zweidimensionaler Elektronensysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unordnung des Gitterpotentials quasi zweidimensionaler Elektronensysteme in Halbleiter-Heterostrukturen ist eine wesentliche Voraussetzung für das Auftreten des ganzzahligen Quanten-Hall-Effekts mit seinen universellen, quantisierten Hall-Widerständen. Die Art und Stärke der Landschaft des Unordnungspotentials bestimmt allerdings die Breite und genaue Lage der quantisierten Hall-Plateaus oder den Übergang in die isolierende Phase der Quanten-Hall-Droplets. Dieser Isolator kann mit quasistatischem Transport nicht untersucht werden, wohl aber mit Zyklotronresonanz im Fernen Infrarot. Für diese beiden komplementären Methoden wurden im MPI für Festkörperforschung in Stuttgart spezielle GaAs-Heterostrukturen mit gezielt eingebrachter Unordnung in Form einer delta-Dotierschicht mit Berylliumakzeptoren mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Quanten-Hall-Droplets zeigen spektroskopisch ähnliche Eigenschaften wie reguläre Quanten-Dot-Gitter, insbesondere ist die Zyklotronresonanz blauverschoben und es tritt zusätzlich eine tieferliegende Mode auf. Vor dem Phasenübergang in den Isolator beobachten wir eine Aufspaltung der Zyklotronresonanz in mehrere Moden, die teilweise plasmonischen Anregungen in regulären Dot- und Antidot-Gittern ähneln. Die Transportmessungen zeigen in kleinen Magnetfeldern einen starken negativen Magnetowiderstand, in mittleren Magnetfeldern stark ausgeprägte und verschobene Hall-Plateaus und in hohen Magnetfeldern einen Übergang in die isolierende Phase deutlich unterhalb des für symmetrische und statistische Potentiale erwarteten Füllfaktors von 1/2. Erstmals beobachten wir beim Übergang in diese isolierende Phase in Übereinstimmung mit einer jüngst veröffentlichten Theorie neben der Divergenz des longitudinalen Widerstands auch eine Divergenz des Hall-Widerstands selbst. Zusammengenommen ergibt die Interpretation der Transportmessungen und der Ferninfrarotspektroskopie folgendes Bild: die kritischen Füllfaktoren für den Übergang in den Isolator können wir als Perkolationsübergang nur erklären, wenn die Berylliumakzeptoren räumlich korreliert eingebaut werden. Dies könnte prinzipiell auch die große Ähnlichkeit der optischen Anregungen mit Plasmonen in dichtemodulierten Elektronensystemen regulärer Dot- und Antidot-Gitter erklären. Zusätzlich würde es den Einfluss der Elektron-Elektron-Wechselwirkung bei der Hybridisierung der beobachteten sehr scharfen Zyklotronlinien unterstützen. Wir wollen deshalb in einem zukünftigen Vorhaben versuchen, die Verteilung der Berylliumatome mit Rastertunnelspektroskopie direkt nachzuweisen. Dazu soll die delta-Dotierschicht nahe der Oberfläche auf GaAs gewachsen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Percolation of quantum Hall droplets in intentionally disordered GaAs/GaAlAs heterojunctions. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Vol. 12. 2002, Issues 1–4, pp. 662–665.
K. Buth, M. Widmann, U. Merkt, E. Batke, K. Eberl
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/S1386-9477(01)00430-1) - Quantum Hall effect in intentionally disordered two-dimensional electron systems. Annalen der Physik, Vol. 11. 2002, Issue 12, pp. 843–891.
K. Buth, U. Merkt
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1002/1521-3889(200212)11:12<843::AID-ANDP843>3.0.CO;2-Z) - Electrons in potential landscapes of random and correlated distributions of repulsive scatterers. Semiconductor Science and Technology, Vol. 18. 2003, Number 6, pp. 434-441.
K. Buth, M. Widmann, A. Thieme, U. Merkt
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1088/0268-1242/18/6/307)
