Untersuchung von Wechselwirkungen in zweidimensionalen Elektronensystemen mit Transport- und Drag-Messungen

Abstract

In dieser Arbeit werden Transport- und Drag-Messungen an zweidimensionalen Elektronensystemen (2DES) in Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid in quantisierenden Magnetfeldern durchgeführt. Zum einen wird der Spin-Phasenübergang des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts (FQHE) bei Füllfaktor 2/3 in einem einzelnen 2DES untersucht; zum anderen wird die Elektron-Elektron-Streuung zwischen zwei parallelen, nahe benachbarten 2DES mit Hilfe von Drag-Messungen untersucht. Die Untersuchungen des 2/3-FQHE wird an einem 15 nm breiten Quantumwell (QW) durchgeführt. In diesem engen QW tritt der 2/3-Phasenübergang von spin-unpolarisiertem zu spin-polarisiertem Grundzustand bei deutlich höheren Magnetfeldern (ca. 10 T) auf als bisher in der Literatur berichtet. Eine Verschiebung des Phasenübergangs zu höheren Magnetfeldern mit abnehmender Temperatur lässt sich durch eine zunehmende thermische Polarisation der Kernspins erklären. Unterhalb von 70 mK zeigt der Phasenübergang hysteretisches Verhalten; dies lässt sich durch das Auftreten eines Ising-Quanten-Hall-Ferromagneten mit der Bildung von Domänen verstehen. Bei ausreichend hohem Strom entwickelt sich die von Kronmüller et. al. entdeckte Widerstandsanomalie bei 2/3 ("Huge Longitudinal Resistance", HLR) direkt am Phasenübergang. Nach unserem neuen Modell führt eine strominduzierte Kernspinpolarisation zu einer modifizierten Domänenstruktur am Phasenübergang und somit zu einem höheren Widerstand. Die Kopplung zwischen zwei nah benachbarten, jedoch elektrisch voneinander isolierten 2DES wird mit Hilfe von Drag-Messungen untersucht. Ein Strom durch eines der 2D-Systeme induziert im zweiten eine Spannung durch Elektron-Elektron-Streuung zwischen den Schichten. In dieser Arbeit wird Drag in quantisierenden Magnetfeldern für eine Vielzahl von Parametern wie Temperatur, Ladungsträgerdichte und -unterschied zwischen den Schichten ausführlich studiert. Bei hohen Füllfaktoren zeigt Drag ein Doppelmaximum für jedes Landauniveau für gleiche sowie Vorzeichenwechsel für unterschiedliche Ladungsträgerdichten in den 2DES. Ein anomales Temperaturverhalten zeigt die Bedeutung von lokalisierten Zuständen für Drag in diesem Feld- und Temperaturbereich. Basierend auf diesen Beobachtungen wird ein Modell entwickelt. Dagegen entspricht das Temperaturverhalten des Drag bei den Füllfaktoren 1/2 und 3/2 den theoretischen Vorhersagen für Composite Fermions Drag. Desweiteren wird die Streuung im HLR durch Drag-Messungen untersucht. Dabei zeigt sich, dass HLR nur zu einem kleinen Drag-Signal führt, das zudem vom Füllfaktor der Drag-Schicht abhängt.

This work focuses on transport and drag measurements in two dimensional electron systems (2DES) in gallium arsenide/aluminium gallium arsenide in quantising magnetic fields. In single layers we investigate the spin phase transition of the fractional quantum Hall effect (FQHE) at filling factor 2/3. In double layer systems we investigate interlayer electron-electron scattering by means of drag measurements. A 15 nm wide quantum well (QW) is used for the measurements on the 2/3 FQHE. In such a narrow QW the 2/3 phase transition from the spin-unpolarised to the spin-polarised ground state occurs at much higher fields (approx. 10 T) than previously reported in literature. With decreasing temperature the phase transition shifts to higher magnetic fields, which can be well explained by an increasing thermal nuclear spin polarisation. Below 70 mK the phase transition additionally shows hysteretic behaviour, which can be understood by the occurance of an Ising quantum Hall ferromagnet with domain formation. At sufficiently high currents the huge longitudinal resistance (HLR) anomaly develops directly at the phase transition. We develop a new model: a current induced nuclear spin polarisation modifies the domain structure at the phase transition and leads thus to a huge resistance. The coupling between two closely spaced, but electrically isolated 2DES is investigated by means of drag measurements. A current through one of the layers induces a voltage drop in the other layer due to interlayer electron-electron scattering. In this work we investigate drag in quantising magnetic fields for a variety of parameters like temperature, carrier densities and density difference between the layers. At high filling factors drag shows a double peak for each Landau level for matched densities and sign changes for mismatched densities. An anomalous temperature dependence indicates that localised states play an important role for the understanding of drag in this range of temperatures and magnetic fields. A model is presented based on these observations. In contrast to that, the temperature dependence of drag at filling factors 1/2 and 3/2 follows the theoretical predictions for composite fermion drag. We further investigate the scattering involved in HLR with drag measurements. We find that HLR causes only a small drag signal that additionally depends on the filling factor of the drag layer.