Топологическое связанное состояние электрона
Композитный фермион — это топологическое связанное состояние электрона и четного числа квантованных вихрей , иногда визуально изображаемое как связанное состояние электрона и, присоединенного, четного числа квантов магнитного потока. [1] [2] [3] Первоначально композитные фермионы рассматривались в контексте дробного квантового эффекта Холла , [4] но впоследствии обрели собственную жизнь, демонстрируя множество других следствий и явлений.
Вихри являются примером топологического дефекта , а также встречаются в других ситуациях. Квантованные вихри встречаются в сверхпроводниках II типа, их называют вихрями Абрикосова . Классические вихри имеют отношение к переходу Березенского–Костерлица–Таулесса в двумерной модели XY .
Описание
Когда электроны ограничены двумя измерениями, охлаждены до очень низких температур и подвергнуты воздействию сильного магнитного поля, их кинетическая энергия гасится из-за квантования уровня Ландау . Их поведение в таких условиях регулируется только кулоновским отталкиванием , и они производят сильно коррелированную квантовую жидкость. Эксперименты показали [1] [2] [3] , что электроны минимизируют свое взаимодействие, захватывая квантованные вихри, чтобы стать составными фермионами. [5] Взаимодействие между самими составными фермионами часто пренебрежимо мало в хорошем приближении, что делает их физическими квазичастицами этой квантовой жидкости.
Характерное качество композитных фермионов, которое отвечает за в противном случае неожиданное поведение этой системы, заключается в том, что они испытывают гораздо меньшее магнитное поле, чем электроны. Магнитное поле, видимое композитными фермионами, определяется как
где - внешнее магнитное поле, - число вихрей, связанных с составным фермионом (также называемое завихренностью или вихревым зарядом составного фермиона), - плотность частиц в двух измерениях, и называется «квантом потока» (который отличается от сверхпроводящего кванта потока в два раза). Эффективное магнитное поле является прямым проявлением существования составных фермионов, а также воплощает фундаментальное различие между электронами и составными фермионами.
Иногда говорят, что электроны «проглатывают» кванты потока, каждый из которых трансформируется в составные фермионы, а составные фермионы затем испытывают остаточное магнитное поле. Точнее, вихри, связанные с электронами, создают свои собственные геометрические фазы , которые частично отменяют фазу Ааронова–Бома из-за внешнего магнитного поля, создавая чистую геометрическую фазу, которую можно смоделировать как фазу Ааронова–Бома в эффективном магнитном поле.
Поведение составных фермионов похоже на поведение электронов в эффективном магнитном поле Электроны образуют уровни Ландау в магнитном поле, а число заполненных уровней Ландау называется фактором заполнения, который определяется выражением Составные фермионы образуют уровни, подобные уровням Ландау, в эффективном магнитном поле , которые называются уровнями Ландау или уровнями составных фермионов. Фактор заполнения для составных фермионов определяется как Это дает следующее соотношение между факторами заполнения электронов и составных фермионов
Знак минус возникает, когда эффективное магнитное поле антипараллельно приложенному магнитному полю, что происходит, когда геометрическая фаза вихрей перекрывает фазу Ааронова–Бома.
Экспериментальные проявления
Центральное утверждение теории композитных фермионов заключается в том, что сильно коррелированные электроны в магнитном поле (или факторе заполнения ) превращаются в слабо взаимодействующие композитные фермионы в магнитном поле (или факторе заполнения композитных фермионов ). Это позволяет эффективно объяснить с помощью одной частицы сложное поведение многих тел, при этом взаимодействие между электронами проявляется как эффективная кинетическая энергия композитных фермионов. Вот некоторые явления, возникающие из композитных фермионов: [1] [2] [3]
море Ферми
Эффективное магнитное поле для композитных фермионов исчезает при , где фактор заполнения для электронов равен . Здесь композитные фермионы образуют море Ферми. [6] Это море Ферми наблюдалось на полузаполненном уровне Ландау в ряде экспериментов, которые также измеряют волновой вектор Ферми. [7] [8] [9] [10]
Циклотронные орбиты
Когда магнитное поле немного смещается от , композитные фермионы выполняют полуклассические циклотронные орбиты . Они наблюдались путем связывания с поверхностными акустическими волнами, [7] резонансными пиками в антиточечной сверхрешетке, [8] и магнитной фокусировкой. [9] [10] [11] Радиус циклотронных орбит согласуется с эффективным магнитным полем и иногда на порядок или более больше радиуса циклотронной орбиты электрона во внешнем приложенном магнитном поле . Кроме того, наблюдаемое направление траектории противоположно направлению траектории электронов, когда антипараллельно .
Циклотронный резонанс
В дополнение к циклотронным орбитам, циклотронный резонанс композитных фермионов также наблюдался с помощью фотолюминесценции. [12]
Осцилляции Шубникова-де-Гааса.
По мере удаления магнитного поля от наблюдаются квантовые осцилляции , которые являются периодическими по Это осцилляции Шубникова–де Гааза составных фермионов. [13] [14] Эти осцилляции возникают из-за квантования полуклассических циклотронных орбит составных фермионов в уровни Ландау составных фермионов. Из анализа экспериментов Шубникова–де Гааза можно вывести эффективную массу и квантовое время жизни составных фермионов.
Целочисленный квантовый эффект Холла
При дальнейшем увеличении или уменьшении температуры и беспорядка композитные фермионы проявляют целочисленный квантовый эффект Холла. [5] Целочисленные заполнения композитных фермионов, , соответствуют электронному заполнению
В сочетании с
которые получаются путем присоединения вихрей к отверстиям на самом нижнем уровне Ландау, они представляют собой заметно наблюдаемые последовательности дробей. Примерами являются
Дробный квантовый эффект Холла электронов, таким образом, объясняется как целочисленный квантовый эффект Холла композитных фермионов. [5] Он приводит к дробно квантованным плато Холла при
с заданными выше квантованными значениями. Эти последовательности заканчиваются в композитном фермионном море Ферми. Обратите внимание, что дроби имеют нечетные знаменатели, что следует из четной завихренности композитных фермионов.
Дробный квантовый эффект Холла
Вышеуказанные последовательности объясняют большинство, но не все, наблюдаемых дробей. Наблюдались и другие дроби, которые возникают из-за слабого остаточного взаимодействия между составными фермионами и, таким образом, являются более деликатными. [15] Некоторые из них понимаются как дробный квантовый эффект Холла составных фермионов. Например, дробный квантовый эффект Холла составных фермионов при производит дробь 4/11, которая не принадлежит первичным последовательностям. [16]
Сверхпроводимость
Наблюдалась четная дробь знаменателя . [17] Здесь второй уровень Ландау наполовину заполнен, но состояние не может быть морем Ферми составных фермионов, поскольку море Ферми является бесщелевым и не показывает квантовый эффект Холла. Это состояние рассматривается как «сверхпроводник» составных фермионов, [18] [19] возникающий из-за слабого притягивающего взаимодействия между составными фермионами при этом факторе заполнения. Спаривание составных фермионов открывает щель и производит дробный квантовый эффект Холла.
Экситоны
Нейтральные возбуждения различных дробных квантовых состояний Холла являются экситонами композитных фермионов, то есть парами частица-дырка композитных фермионов. [20] Дисперсия энергии этих экситонов была измерена с помощью рассеяния света [21] [22] и рассеяния фононов. [23]
Вращаться
В сильных магнитных полях спин композитных фермионов заморожен, но его можно наблюдать в относительно слабых магнитных полях. Веерная диаграмма уровней Ландау композитных фермионов была определена транспортом и показывает как спин-вверх, так и спин-вниз уровни Ландау композитных фермионов. [24] Дробные квантовые состояния Холла, а также море Ферми композитных фермионов также частично поляризованы по спину для относительно слабых магнитных полей. [24] [25] [26]
Эффективное магнитное поле
Эффективное магнитное поле композитных фермионов подтверждено подобием дробного и целочисленного квантовых эффектов Холла, наблюдением моря Ферми на наполовину заполненном уровне Ландау и измерениями циклотронного радиуса.
Масса
Масса композитных фермионов была определена из измерений: эффективной циклотронной энергии композитных фермионов; [27] [28] температурной зависимости осцилляций Шубникова–де Гааза; [13] [14] энергии циклотронного резонанса; [12] спиновой поляризации моря Ферми; [26] и квантовых фазовых переходов между состояниями с различной спиновой поляризацией. [24] [25] Ее типичное значение в системах GaAs составляет порядка массы электрона в вакууме. (Она не связана с зонной массой электрона в GaAs, которая составляет 0,07 массы электрона в вакууме.)
Теоретические формулировки
Значительная часть экспериментальной феноменологии может быть понята из качественной картины композитных фермионов в эффективном магнитном поле. Кроме того, композитные фермионы также приводят к подробной и точной микроскопической теории этой квантовой жидкости. Два подхода оказались полезными.
Пробные волновые функции
Следующие пробные волновые функции [5] воплощают физику композитных фермионов:
Здесь — волновая функция взаимодействующих электронов при факторе заполнения ; — волновая функция для слабо взаимодействующих электронов при ; — число электронов или составных фермионов; — координата th-й частицы; и — оператор, который проецирует волновую функцию на самый низкий уровень Ландау. Это обеспечивает явное отображение между целочисленным и дробным квантовыми эффектами Холла. Умножение на присоединяет вихри к каждому электрону, чтобы превратить его в составной фермион. Таким образом, правая часть интерпретируется как описание составных фермионов при факторе заполнения . Вышеприведенное отображение дает волновые функции как для основного, так и для возбужденного состояний дробных квантовых состояний Холла в терминах соответствующих известных волновых функций для интегральных квантовых состояний Холла. Последние не содержат никаких подгоночных параметров для , поэтому волновые функции FQHE не содержат никаких подгоночных параметров при .
Сравнения с точными результатами показывают, что эти волновые функции количественно точны. Их можно использовать для вычисления ряда измеряемых величин, таких как щели возбуждения и дисперсии экситонов, фазовая диаграмма составных фермионов со спином, масса составного фермиона и т. д. Поскольку они сводятся к волновой функции Лафлина [29] при заполнении .
Теория поля Черна–Саймонса
Другая формулировка физики композитных фермионов осуществляется через теорию поля Черна–Саймонса, в которой кванты потока присоединяются к электронам посредством сингулярного калибровочного преобразования. [6] [30] В приближении среднего поля восстанавливается физика свободных фермионов в эффективном поле. Теория возмущений на уровне приближения случайной фазы охватывает многие свойства композитных фермионов. [31]
Смотрите также
Ссылки
- ^ abc JK Jain (2007). Композитные фермионы . Нью-Йорк: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-86232-5.
- ^ abc O. Heinonen, ed. (1998). Композитные фермионы . Сингапур: World Scientific. ISBN 978-981-02-3592-5.
- ^ abc S. Das Sarma ; A. Pinczuk , ред. (1996). Перспективы квантовых эффектов Холла: новые квантовые жидкости в низкоразмерных полупроводниковых структурах . Нью-Йорк: Wiley-VCH. ISBN 978-0-471-11216-7.
- ^ DC Tsui; HL Stormer; AC Gossard (1982). "Двумерный магнитотранспорт в экстремальном квантовом пределе". Physical Review Letters . 48 (22): 1559. Bibcode : 1982PhRvL..48.1559T. doi : 10.1103/PhysRevLett.48.1559 .
- ^ abcd JK Jain (1989). «Подход составных фермионов для дробного квантового эффекта Холла». Physical Review Letters . 63 (2): 199–202. Bibcode :1989PhRvL..63..199J. doi :10.1103/PhysRevLett.63.199. PMID 10040805.
- ^ ab BI Halperin; PA Lee; N. Read (1993). "Теория полузаполненного уровня Ландау". Physical Review B. 47 ( 12): 7312–7343. arXiv : cond-mat/9501090 . Bibcode : 1993PhRvB..47.7312H. doi : 10.1103/PhysRevB.47.7312. PMID 10004728.
- ^ ab RL Willett; RR Ruel; KW West; LN Pfeiffer (1993). "Экспериментальная демонстрация поверхности Ферми при половинном заполнении самого нижнего уровня Ландау". Physical Review Letters . 71 (23): 3846–3849. Bibcode :1993PhRvL..71.3846W. doi :10.1103/PhysRevLett.71.3846. PMID 10055088.
- ^ ab W. Kang; HL Stormer; LN Pfeiffer; KW Baldwin; KW West (1993). «Насколько реальны композитные фермионы?». Physical Review Letters . 71 (23): 3850–3853. Bibcode : 1993PhRvL..71.3850K. doi : 10.1103/PhysRevLett.71.3850. PMID 10055089.
- ^ ab VJ Goldman; B. Su; JK Jain (1994). «Обнаружение композитных фермионов с помощью магнитной фокусировки». Physical Review Letters . 72 (13): 2065–2068. Bibcode :1994PhRvL..72.2065G. doi :10.1103/PhysRevLett.72.2065. PMID 10055779.
- ^ ab JH Smet; D. Weiss; RH Blick; G. Lütjering; K. von Klitzing; R. Fleischmann; R. Ketzmerick; T. Geisel; G. Weimann (1996). "Магнитная фокусировка композитных фермионов через массивы полостей". Physical Review Letters . 77 (11): 2272–2275. Bibcode :1996PhRvL..77.2272S. doi :10.1103/PhysRevLett.77.2272. PMID 10061902. S2CID 20584064.
- ^ JH Smet; S. Jobst; K. von Klitzing; D. Weiss; W. Wegscheider; V. Umansky (1999). "Соразмерные композитные фермионы в слабых периодических электростатических потенциалах: прямое доказательство периодического эффективного магнитного поля" (PDF) . Physical Review Letters . 83 (13): 2620. Bibcode :1999PhRvL..83.2620S. doi :10.1103/PhysRevLett.83.2620. S2CID 122014617.
- ^ аб И.В. Кукушкин; Дж. Х. Смет; Д. Шух; В. Вегшайдер; К. фон Клитцинг (2007). «Дисперсия моды композитно-фермионного циклотронного резонанса». Письма о физических отзывах . 98 (6): 066403. Бибкод : 2007PhRvL..98f6403K. doi : 10.1103/PhysRevLett.98.066403. ПМИД 17358964.
- ^ ab DR Leadley; RJ Nicholas; CT Foxon; JJ Harris (1994). «Измерение эффективной массы и времени рассеяния композитных фермионов из анализа магнитотранспорта». Physical Review Letters . 72 (12): 1906–1909. Bibcode :1994PhRvL..72.1906L. doi :10.1103/PhysRevLett.72.1906. PMID 10055734.
- ^ ab RR Du; Х.Л. Стормер; ДК Цуй; Л. Н. Пфайффер; КВ Уэст (1994). «Колебания Шубникова – де Гааса вокруг заполнения уровня Ландау». Твердотельные коммуникации . 90 (2): 71. Бибкод : 1994SSCom..90...71D. дои : 10.1016/0038-1098(94)90934-2.
- ^ W. Pan; HL Stormer; DC Tsui; LN Pfeiffer; KW Baldwin; KW West (2003). "Дробный квантовый эффект Холла композитных фермионов". Physical Review Letters . 90 (1): 016801. arXiv : cond-mat/0303429 . Bibcode : 2003PhRvL..90a6801P. doi : 10.1103/PhysRevLett.90.016801. PMID 12570639. S2CID 2265408.
- ^ C.-C. Chang; JK Jain (2004). «Микроскопическое происхождение дробного квантового эффекта Холла следующего поколения». Physical Review Letters . 92 (19): 196806. arXiv : cond-mat/0404079 . Bibcode : 2004PhRvL..92s6806C. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.196806. PMID 15169434. S2CID 20862603.
- ^ R. Willett; JP Eisenstein; HL Stormer; DC Tsui; AC Gossard; JH England (1987). «Наблюдение квантового числа с четным знаменателем в дробном квантовом эффекте Холла» (PDF) . Physical Review Letters . 59 (15): 1776–1779. Bibcode :1987PhRvL..59.1776W. doi :10.1103/PhysRevLett.59.1776. PMID 10035326.
- ^ G. Moore; N. Read (1991). "Ненабелионы в дробном квантовом эффекте Холла" (PDF) . Nuclear Physics B. 360 ( 2): 362. Bibcode : 1991NuPhB.360..362M. doi : 10.1016/0550-3213(91)90407-O.
- ^ Н. Рид; Д. Грин (2000). «Спаренные состояния фермионов в двух измерениях с нарушением симметрии четности и обращения времени и дробный квантовый эффект Холла». Physical Review B. 61 ( 15): 10267. arXiv : cond-mat/9906453 . Bibcode : 2000PhRvB..6110267R. doi : 10.1103/PhysRevB.61.10267. S2CID 119427877.
- ^ VW Scarola; K. Park; JK Jain (2000). "Ротоны композитных фермионов: сравнение теории и эксперимента". Physical Review B. 61 ( 19): 13064. arXiv : cond-mat/9910491 . Bibcode : 2000PhRvB..6113064S. doi : 10.1103/PhysRevB.61.13064.
- ^ M. Kang; A. Pinczuk; BS Dennis; LN Pfeiffer; KW West (2001). «Наблюдение множественных магнеторотонов в дробном квантовом эффекте Холла». Physical Review Letters . 86 (12): 2637–40. Bibcode : 2001PhRvL..86.2637K. doi : 10.1103/PhysRevLett.86.2637. PMID 11289999.
- ^ I. Dujovne; A. Pinczuk; M. Kang; BS Dennis; LN Pfeiffer; KW West (2005). "Возбуждения спина композитных фермионов при приближениях ½: Взаимодействия в море Ферми". Physical Review Letters . 95 (5): 056808. Bibcode :2005PhRvL..95e6808D. doi :10.1103/PhysRevLett.95.056808. PMID 16090907.
- ^ Ф. Шульце-Вишелер; Ф. Хольс; У. Цайтлер; Д. Рейтер; А.Д. Вик; Р. Дж. Хауг (2004). «Фононные возбуждения составных фермионных уровней Ландау». Письма о физических отзывах . 93 (2): 026801. arXiv : cond-mat/0403072 . Бибкод : 2004PhRvL..93b6801S. doi : 10.1103/PhysRevLett.93.026801. ПМИД 15323936.
- ^ abc RR Du; AS Yeh; HL Stormer; DC Tsui; LN Pfeiffer; KW West (1995). «Дробный квантовый эффект Холла вокруг : составные фермионы со спином». Physical Review Letters . 75 (21): 3926–3929. Bibcode : 1995PhRvL..75.3926D. doi : 10.1103/PhysRevLett.75.3926. PMID 10059766.
- ^ ab IV Kukushkin; K. von Klitzing; K. Eberl (1999). "Спиновая поляризация композитных фермионов: измерения энергии Ферми". Physical Review Letters . 82 (18): 3665. Bibcode :1999PhRvL..82.3665K. doi :10.1103/PhysRevLett.82.3665.
- ^ ab S. Melinte; N. Freytag; M. Horvatic; C. Berthier; LP Levy; V. Bayot; M. Shayegan (2000). "ЯМР-определение двумерной электронной спиновой поляризации при ". Physical Review Letters . 84 (2): 354–7. arXiv : cond-mat/9908098 . Bibcode : 2000PhRvL..84..354M. doi : 10.1103/PhysRevLett.84.354. PMID 11015909. S2CID 42918257.
- ^ RR Du; HL Stormer; DC Tsui; LN Pfeiffer; KW Baldwin; KW West (1993). «Экспериментальные доказательства новых частиц в дробном квантовом эффекте Холла». Physical Review Letters . 70 (19): 2944–2947. Bibcode : 1993PhRvL..70.2944D. doi : 10.1103/PhysRevLett.70.2944. PMID 10053693.
- ^ HC Manoharan; M. Shayegan; SJ Klepper (1994). «Сигнатуры новой ферми-жидкости в двумерной модели составных частиц». Physical Review Letters . 73 (24): 3270–3273. Bibcode : 1994PhRvL..73.3270M. doi : 10.1103/PhysRevLett.73.3270. PMID 10057334.
- ^ RB Laughlin (1983). "Аномальный квантовый эффект Холла: несжимаемая квантовая жидкость с дробно заряженными возбуждениями". Physical Review Letters . 50 (18): 1395. Bibcode : 1983PhRvL..50.1395L. doi : 10.1103/PhysRevLett.50.1395. S2CID 120080343.
- ^ А. Лопес; Э. Фрадкин (1991). «Дробный квантовый эффект Холла и калибровочные теории Черна–Саймонса». Physical Review B. 44 ( 10): 5246–5262. Bibcode :1991PhRvB..44.5246L. doi :10.1103/PhysRevB.44.5246. PMID 9998334.
- ^ SH Simon; BI Halperin (1993). "Конечный волновой вектор электромагнитного отклика дробно-квантованных состояний Холла". Physical Review B. 48 ( 23): 17368–17387. arXiv : cond-mat/9307048 . Bibcode : 1993PhRvB..4817368S. doi : 10.1103/PhysRevB.48.17368. PMID 10008349. S2CID 32195345.
Внешние ссылки