Исследование спин-раздвоенных пиков в поперечном электронном фокусировании в диапазоне температур

Аннотация

Сообщается о экспериментах по поперечному электронному фокусированию (TEF) в n-типе двумерном электронном газе (2DEG) GaAs. В умеренном поперечном магнитном поле (B⊥) электроны направляются от квантового-проводникового инжектора к детектору, давая серию периодических пиков фокусировки в B⊥. Удивительно, что нечетные пики расколются на два суб-пика, каждый отражает отдельную спиновую ветвь, испускаемую инжектором. Температурная эволюция показывает, что раскол острый при низких температурах, но постепенно размывается по мере приближения тепловой энергии (k_B T) к удвоенной энергии спинового разрыва (2ΔE), подтверждая, что обменная спиновая поляризация доминирует при низких температурах.

Введение

Электронный транспорт в квази-одномерных (1D) системах, реализованных в 2DEG гетероструктур GaAs/AlGaAs, долго служил эталоном для изучения как неинтерактивной квантовой механики, так и многочастичных явлений. В таких системах проводимость квантуется ступенями n·(2e²/h) (n=1,2,3…), однако недавние эксперименты раскрыли богатые низкоплотные фазы, включая зачатки кристаллизации Вигнера. Центральный открытый вопрос — природа так называемой 0,7-аномалии — плато проводимости около 0,7·(2e²/h), чья температурная зависимость и эволюция во вплоскостном магнитном поле указывают на спиновую природу. Прямое зондирование спиновой поляризации в 1D канале необходимо для разрешения этого спора. Поперечное электронное фокусирование (TEF) предлагает чувствительный спин-разрешающий зонд: раскол первого пика фокусировки отражает обменную поляризацию инжектора, как показано в p-GaAs и n-InSb. В ранней работе мы показали, что пространственно разделенные спин-поляризованные 1D электроны дают явный раскол первого пика в n-GaAs. Здесь мы расширяем подход, изучая эволюцию раскола с температурой, давая представление о динамике спинового разрыва.

Метод

Устройства изготовлены из высокомобильного 2DEG на интерфейсе GaAs/Al₀.₃₃Ga₀.₆₇As. При 1,5 К концентрация электронов 1,80×10¹¹ см⁻², подвижность 2,17×10⁶ см²/В·с, средний свободный путь >10 мкм — значительно больше размеров устройства. Измерения в криогенном дилютном холодильнике, базовая решетчатая температура 20 мК (электронная ~70 мК). Температурно-зависимые данные собраны от 20 мК до 1,8 К стандартной локаторной техникой.

Результаты и обсуждение

Рис. 1а иллюстрирует компоновку и типичный спектр фокусировки. Инжектор и детектор разделены 1,5 мкм, каждый определен 500-нм квантовым проводником длиной 800 нм. Независимый гейтовый контроль подавляет переговоры, гарантируя, что пики возникают только от TEF (Рис. 1б). Первый пик показывает выраженный раскол на суб-пики I и II; второй пик остается нерасколотым. Периодичность пиков соответствует полуклассическому условию циклотронной орбиты: B_focus = √2 ħ k_F / (e L), где L — разделение инжектор-детектор по диагонали. Наблюдаемый шаг 60 мТл согласуется с расчетом, подтверждая полуклассическую картину. Раскол первого пика атрибутируется спин-орбитальному взаимодействию (SOI). В рашбовском SOI два спиновых вида следуют разным циклотронным радиусам, давая два различных времени прибытия к детектору (Рис. 2а). Для второго пика процесс граничного рассеяния меняет импульс спин-вверх электрона, сохраняя спин, заставляя два спиновых вида рекомбинировать в один пик (Рис. 2б). Механизмы иллюстрированы в координатном и k-пространстве (Рис. 2c,d). Температурная зависимость (Рис. 3a–c) показывает, что раскол острый при 20 мК, но постепенно размывается при нагреве. Для проводимости инжектора G_i = G₀ два суб-пика сохраняются до ~1,2 К перед слиянием при 1,8 К. При G_i = 1,8 G₀ раскол менее выражен, суб-пик I доминирует и падает с температурой. В отличие, G_i = 0,5 G₀ показывает только один пик, расширенный и симметричный при высоких температурах, указывая на термическое заполнение обеих спиновых подзон. Для квантификации эволюции пики аппроксимируются суммой двух лоренциан: A(B)=Σ A_i γ_i²/(γ_i²+(B-B_i)²). Аппроксимированные ширины монотонно растут с температурой, указывая на термическое расширение. Извлеченная спиновая поляризация p = |A₁−A₂|/(A₁+A₂) слабо зависит от температуры для G_i = G₀ (~0,6 %), но экспоненциально затухает для G_i = 1,8 G₀: p = α exp(-k_B T/ΔE) + c, давая ΔE ≈ 0,041 мэВ (~0,5 К). Это согласуется с предсказаниями, что раскол сохраняется до k_B T ≈ 2ΔE (~1 К), согласуясь с нашим наблюдением слияния около 1,2 К.

Заключение

Показано, что спин-разрешенный раскол первого пика поперечного электронного фокусирования в n-GaAs устойчив от 20 мК до ~1,2 К. Выше этой температуры раскол размывается, пик становится все более симметричным, что указывает на термическое равновесирование двух спиновых ветвей. Результаты дают прямое доказательство обменной спиновой поляризации в инжекторе и устанавливают TEF как мощный температурно-зависимый зонд спиновой физики в низкоразмерных системах.

Финансирование: Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), UK.