内部自由度をもつ量子ホール系の電子状態

村木康二 佐久 規 平山祥郎
量子物性研究部

低温強磁場下の2次元電子系において観測される量子ホール効果は、マクロな系で現れる量子現象の顕著な例である。しかしながら、通常の系においては、各ランダウ準位占有率における電子状態は、有効質量等の材料パラメータによって一意的に決まっている。これに対し、二重量子井戸などによって二つの2次元電子系を10-20 nmの距離で近接させた系(電子二層系)では、新たな内部自由度(今の場合、電子がどちらの層にいるかという層自由度)によって多様な電子状態が実現される可能性があり、それに伴う新たな物性の発現が期待できる。さらにこの系では、層間のトンネリングやクーロン相互作用の強さを、ヘテロ構造の設計によって制御できる利点があり、材料物性制御の観点からも興味深い。
我々は変調ドーピングとバックゲートによる電界誘起を組み合わせた二重量子井戸構造を用いることで、二層の電子密度を自由に制御できる電子二層系を作製することに成功した[1]。本研究では、この試料を用いて界面に垂直に電界を加えることで、二層系に特有の電子状態が形成されていることを確かめた。図1は一定磁場のもとで、二層の電子密度を変化させたときの縦抵抗の変化を示す。図の暗い部分が縦抵抗ゼロの量子ホール効果領域を表す。二層の電子密度が等しい状態(図の破線)から、電界を加えて電子を片側の層に寄せていくと(図の矢印方向)、層間の電子の移動に伴い量子ホール効果が壊れて別の状態へ遷移する場合と、量子ホール効果を保ったまま電子を移動させることができる場合が存在することが分かった。さらに我々は、電場によるエネルギー準位の分裂・交差によって、これらが説明できることを示した(図2)。このモデルによると、電子二層系における垂直電場の効果は、原子(分子)における磁場の効果(ゼーマン効果)と同様に理解することができる[2]。(本研究は東北大学理学部 江澤教授、および澤田助教授のグループとの共同研究である。)
[1] K. Muraki et al., Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) 2444.
[2] K. Muraki et al., Solid State Commun. 112 (1999) 625.
     
図1 一定磁場中での縦抵抗の変化      



図2 二層系のエネルギー準位(横軸はトンネリングと電場による準位分裂の大きさ)


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