Space and Time-Resolved Measurements at the Breakdown of the Quantum Hall Effect

Sagol, Bülent Erol GND

In this work we have performed space and time-resolved measurements at the breakdown of the quantum Hall effect (QHE). The QHE measurements are generally done with Hall bar devices, where the longitudinal and Hall resistivities of a two-dimensional electron system (2DES) can be simultaneously measured at temperatures of 4 K and below. At high magnetic fields the longitudinal resistivity vanishes, and the Hall resistivity exhibits quantum Hall (QH) plateaus with quantized values, when a whole number of Landau levels is fully occupied. Above a critical current, the QH plateaus disappear, and the longitudinal resistivity increases by several orders of magnitude, corresponding to a dissipation in the current flow. This is the QHE-Breakdown (QHEB), for which many mechanisms and models were proposed so far, but a complete conclusive theory is still missing. This inspired the investigations presented in this thesis. The spatially resolved experiments for the excitation (from QHE to QHEB) and relaxation (from QHEB to QHE) of electrons showed a clear correlation between the scattering density and the spatial evolution of the QHEB along the current path. Therefore we attributed these processes to impurity-assisted inter-Landau-level tunneling. By applying a phenomenological model for the transitions between the two Landau-levels above and below the Fermi level, the space-resolved excitation measurements could be simulated. In the time-resolved measurements we measured for the first time the excitation and relaxation times of the QHEB directly, which were found in the nanosecond regime.

In dieser Arbeit haben wir orts- und zeitaufgelöste Messungen beim Zusammenbruch des Quanten-Hall-Effektes (QHE) durchgeführt. Die QHE Messungen sind generell mit Hall-Proben erfolgt, in denen die Längs- und Hall-Widerstände eines zweidimensionalen Elektronensystems (2DES) bei Temperaturen unter 4 K gleichzeitig gemessen werden können. Bei hohen Magnetfeldern verschwindet der Längswiderstand, und der Hall-Widerstand zeigt Quanten-Hall- Stufen mit quantisierten Werten, wenn eine ganze Zahl von Landau-Niveaus vollständig besetzt wird. Oberhalb eines kritischen Stromes verschwinden die Stufen, und der Längswiderstand nimmt drastisch zu, sodass eine Dissipation beim Stromfluss einsetzt. Dies ist der Zusammenbruch des QHE (ZQHE), für den zwar schon viele Mechanismen und Modelle vorgeschlagen wurden, bislang jedoch noch keine komplette abschließende Theorie existiert. Dies regte die Untersuchungen an, die in dieser Arbeit dargestellt wurden. Die ortsaufgelösten Experimente für die Anregung (vom QHE zum ZQHE) und Relaxation (vom ZQHE zum QHE) der Elektronen zeigten eine klare Korrelation zwischen der Störstellendichte und der räumlichen Entwicklung der Dissipation entlang der Stromrichtung. Folglich schreiben wir die beiden Prozesse dem Tunneln zwischen den Landau-Niveaus zu, das durch Störstellenpotentiale unterstützt wird. Mit einem phänomenologischen Modell für die Übergänge zwischen den zwei Landau-Niveaus ober- und unterhalb der Fermi-Energie konnten die ortsaufgelösten Messungen simuliert werden. In den zeitaufgelösten Messungen haben wir erstmalig die Anregungs- und Relaxationszeiten des ZQHE direkt gemessen, die im Nanosekundenbereich liegen.

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Sagol, Bülent: Space and Time-Resolved Measurements at the Breakdown of the Quantum Hall Effect.

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