Experimente zur Potential- und Stromverteilung in Quanten-Hall-Systemen mit Einzelelektron-Transistoren

Klaffs, Torsten

Gegenstand dieser Arbeit sind die Eigenschaften zweidimensionaler Elektronensysteme (2DES) von AlGaAs-Heterostrukturen, wo Bei extrem tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern der Quanten-Hall-Effekt (QHE) auftritt. In dieser Arbeit wurden hochempfindliche Einzelelektron-Transistoren (SETs) dazu verwendet, neue Erkenntnisse über die Potential- und Stromverteilung zweidimensionaler Elektronensysteme im Quanten-Hall-Regime zu erlangen. Besonderes Augenmerk wurde dabei Nichtgleichgewichtshpänomenen gewidmet, welche dann entstehen, wenn das 2DES durch eine Variation des Magnetfeldes innerhalb der Plateaubereiche aus dem thermodynamischen Gleichgewicht gebracht wird. Obwohl die hier eingesetzten SETs ortsfest sind, konnten räumliche Informationen über die Potentialverteilung im Randbereich der QHE-Proben dadurch gewonnen werden, daß durch elektrostatische Verarmung mittels einer zusätzlichen Steuerelektrode (Seitengate) der Rand des 2DES relativ zum SET verschoben wurde. Somit ließen sich kompressible und inkompressible Streifen im 2DES bei Magnetfeldern zwischen 0.5 T und 12.5 T beobachten. Erstmals konnte so auch ein Aufschmelzen der inkompressiblen Streifen bei Erhöhung der Temperatur nachgewiesen werden. Wird in den dissipationsfreien QHE-Plateaubereichen das Magnetfeld zeitlich variiert, so wird zwischen Probenrand und -zentrum eine elektrostatische Potentialdifferenz induziert, welche aufgrund des anliegenden Magnetfeldes die Hall-Spannung eines Wirbelstromes ist. Korrelationsmessungen mit mehreren SETs am Rand des 2DES zeigen, daß dieser Spannungsabfall im inkompressiblen Randbereich des 2DES abfällt, solange das Magnetfeld hinreichend schnell verändert wird.

In this work we have studied the properties of two-dimensional electron systems (2DES) in AlGaAs heterostructures under quantum Hall conditions. We employed single-electron transistors (SETs) as highly sensitive and very small potential probes for the 2DES on top of quantum Hall samples. The Measurements are focused on non equilibrium situations, induced by varying the magnetic field inside the quantum Hall plateau regions. Even though the SETs are stationary devices, spatial information about the potential landscape inside the 2DES could be obtained by shifting the edge depletion region of the 2DES towards the SET by applying a negative voltage to an external sidegate located close to the SET. Using this technique, compressible and incompressible strips inside the 2DES close to the edge of the samples could be detected at magnetic field between 0.5 T and 12.5 T and at temperatures up to 500 mK. Varying the magnetic field in the integer quantum Hall regime induces a voltage between the edge and the bulk of the 2DES which is the Hall voltage of large eddy currents inside the 2DES. Using multiple single-electron transistor electrometers placed at different positions on the Hall bars, it could be shown that these eddy currents form one big loop along the edge of the samples. The voltage drop occurs within the innermost incompressible strip of the 2DES as long as the magnetic field is swept fast enough.

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Klaffs, Torsten: Experimente zur Potential- und Stromverteilung in Quanten-Hall-Systemen mit Einzelelektron-Transistoren. 2004.

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