量子霍尔系统中的量子相以及量子相变的实验研究

论文摘要

从GaAs/A1GaAs半导体量子阱中二维电子气在极低温强磁场下量子输运的实验出发,通过调节磁场大小、倾斜角度、电子气浓度、样品温度和射频场等外加参数,测量霍尔样品的纵向电阻和霍尔电阻,研究了量予霍尔系统中存在的各种量子相以及量子相变的问题。研究量子霍尔系统中这些相与相变的问题,不仅有助于我们理解这些现象背后的相互作用,而且更给我们提供了控制它们的技术手段。考虑到其中的某些态可以用来做量子信息处理,我相信我们的工作将会给未来实现基于二维电子气系统的量子计算机提供线索。本论文的主要内容:1.介绍了二维电子气系统在磁场下存在的经典的与量子的输运现象。基于不可压缩的量子态以及无序的存在,给出了量子霍尔效应的一个理论解释。2.介绍了量子霍尔系统中局域态-扩展态相变的标度理论,同时实验上研究了GaAs/GaAIAs量子阱单子带二维电子系统中的量子霍尔效应以及其平台间的相变问题。3.研究了GaAs/AlGaAs量子阱双子带二维电子气系统中的拓扑相图,并且发现了因面内磁场导致的赝自旋量子霍尔铁磁态所发生的相变。4.在双子带量子霍尔系统中,研究了朗道能级简并处的局域态与扩展态间的相变的性质。5.介绍了电阻探测核磁共振基本的原理和方法,研究了填充因子v=4附近各个赝自旋态的核磁共振信号的响应以及核自旋弛豫时间T1。6.对于博士期间工作的总结,以及对于进一步进行实验的展望,介绍了基于量子霍尔系统的量子信息处理的最新进展。本论文的主要创新点:1.对于理论预言的标度函数进行了实验验证,指出临界相变的不同区域满足不同形式的标度函数。2.在双子带二维电子气系统填充v=4处,首次发现了一个由于面内磁场导致的具有SU（2）对称性的赝自旋量子霍尔铁磁态到具有SU（4）对称性的一个未知态的相变。3.在双子带系统中朗道能级交叉混合处进行了标度行为的研究,指出对于特定无序分布的样品,朗道能级的混合不会改变系统的标度行为。4.对于赝自旋量子霍尔铁磁态进行了电阻探测核磁共振的研究,发现了仅有easy-axis型的量子霍尔铁磁态对于NMR的探测是敏感的,存在低能自旋激发的迹象。同时发现了核磁共振信号的不对称分布。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 量子霍尔效应
• 1.1 二维电子气系统
• 1.2 二维系统中的输运理论
• 1.2.1 经典输运模型
• 1.2.2 样品质量的表征
• 1.2.3 无耗散系统
• 1.2.4 量子力学模型
• 1.2.5 外加电场模型
• 1.3 量子霍尔效应
• 1.3.1 量子区域的磁输运测量
• 1.3.2 整数量子霍尔效应
• 1.3.3 分数量子霍尔效应
• 1.4 量子霍尔效应的理论解释
• 1.4.1 不可压缩的量子液体
• 1.4.2 一般性讨论
• 1.5 本章小结
• 参考文献
• 第2章 单子带系统
• 2.1 量子霍尔态的平台相变
• 2.1.1 量子霍尔效应的整体相图
• 2.1.2 有限温度修正
• 2.1.3 平台相变的标度理论
• 2.2 实验仪器
• 2.3 平台相变标度指数
• 2.4 标度函数的具体形式
• 2.5 局域化指数的普适性
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第3章 双子带系统的拓扑相图
• 3.1 双子带二维电子气
• 3.2 实验方法
• 3.3 基本输运现象
• 3.3.1 子带排空效应
• 3.3.2 低场磁阻振荡
• 3.4 双子带系统的拓扑相图
• 3.4.1 拓扑相图
• 3.4.2 热激发能隙
• 3.5 双子带系统中的相变
• 3.5.1 双子带系统中的SU（N）对称性
• 3.5.2 倾斜磁场实验
• 3.5.3 拓扑相图的演化
• 3.5.4 能隙的演化
• 3.5.5 赝自旋配对态
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第4章 双子带系统的标度行为
• 4.1 拓扑相图随温度的变化
• 4.2 朗道能级简并点处的标度行为
• 4.3 标度指数γ的研究
• 4.4 实验结果的讨论
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第5章 电阻探测核磁共振
• 5.1 核磁共振
• 5.2 超精细相互作用
• 5.2.1 电子对原子核的影响
• 5.2.2 原子核对电子的影响
• 5.3 电阻探测核磁共振
• 5.3.1 电阻响应曲线
• 5.3.2 核自旋弛豫时间
• 5.4 赝自旋铁磁态的NMR探测
• 5.5 NMR信号的分布
• 5.6 核自旋弛豫时间
• 5.7 结果与讨论
• 5.8 本章小结
• 参考文献
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 量子霍尔系统研究的展望
• 6.2.1 基于目前工作的展望
• 6.2.2 更进一步的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文