Acoustic response of a quantum Hall ferromagnet at nu=2/3

Abstract

The conductivity σxx at filling factor 2/3 was measured using both quasi-DC and surface acoustic wave (SAW) techniques. The transition from the spin-unpolarized ground state to the polarized one is observed with the quasi-DC technique but not with SAW. The fractional quantum Hall state (FQHE) can be described by the filling of composite fermion Landau levels (CFLL). At the electron filling factor=2/3 two CFLLs are completely full. A crossing of two CFLL with different electron spins marks the transition between differently polarized FQHE ground states and is signaled by a sharp conductivity maximum. The system behaves as a quantum Hall ferromagnet and separates into domains. The dissipation is caused by charge transport along the domain walls. However, there is no agreement neither on the domain sizes or the nature of the excitations at the domain walls.

We used devices in the shape of Hall bars that had also interdigital transducer near the source and drain contacts. The resistivities (from which σxx was calculated) were measured with excitation currents of a few Hz. The SAW absorption and dispersion was determined simultaneously and yielded σxx (, q). All standard magneto-transport oscillations seen with quasi-DC were reproduced with the SAW. However, the conductivity peak at the spin transition was not. This absence was reproduced for frequencies ranging from 100 MHz to 2 GHz (wavelengths from 25 m to 1 m). This was also the case even if the quasi-DC current was increased and the dramatic enhancement of the conductivity in the Huge Longitudinal Resistance regime was reached. Arguing that SAW damping occurs only at domain boundaries, within our experimental precision this would mean that the total boundary thickness should be less than 1% of the sample area. Together with Hartree-Fock estimations for the domain walls, this brings to the conclusion that the domain's extension at the phase transition has to be larger than 2m.

Die Leitfähigkeit σxx bei Füllfaktor 2/3 wurde sowohl mittels einer quasi-DC als auch einer "Surface Acoustic Wave" (SAW) Methode untersucht. Der Übergang von einem Spin-unpolarisierten zu einem polarisierten Grundzustand war allerdings nur mit der quasi-DC Methode beobachtbar, die SAW Methode zeigte keine Anzeichen eines solchen Überganges. Der gebrochenzahlige Quanten-Hall Effekt (FQHE) kann durch Füllung von Composite Fermion Landau Niveaus (CFLL) beschrieben werden. Dem Elektron-Füllfaktor =2/3 entsprechen zwei komplett gefüllte CFLL. Eine Kreuzung zweier CFLL mit unterschiedlichem Elektron-Spin kennzeichnet den Übergang zwischen unterschiedlich polarisierten FQHE Grundzuständen. Dieser Übergang ist durch ein scharfes Maximum in der Leitfähigkeit geprägt. Das System verhält sich in dieser Situation wie ein Quanten-Hall Ferromagnet, der in Domänen aufgeteilt ist. Verluste entstehen durch Ladungstransport entlang der Domänenwände. Es gibt jedoch kein zufriedenstellendes Modell, welches konkrete Voraussagen über die Domänengröße noch über die Art der Anregungen in den Domänenwänden gibt.

Für unsere Messungen haben wir eine Anordnung in Hall-Bar Form genutzt, welche einen kammförmigen Signalgeber an den Quell- und Abfluss-Kontakten besaß. Die spezifischen Widerstände, aus denen später die Leitfähigkeit σxx berechnet werden konnte, wurden mit einem Anregungsstrom von wenigen Hz (d.h. quasi-DC) gemessen. Die Absorption und Dispersion der SAW konnte gleichzeitig bestimmt werden, woraus sich xxxx(, q) ergab. Mit Ausnahme des Maximums in der Leitfähigkeit beim Spin-Übergang, welche nur mittels der quasi-DC Methode beobachtbar war, konnten die normalen Magneto-Transport Oszillationen mit beiden Methoden, d.h. quasi-DC und SAW Methode, reproduziert werden. Dieses "Nichtauftreten" des Leitfähigkeitsmaximums konnte für Frequenzen zwischen 100 MHz und 2 GHz (Wellenlängen 25 m bis 1 m) beobachtet werden. Dies änderte sich auch nicht, nachdem der quasi-DC Strom erhöht wurde, was einen dramatischen Anstieg der Leitfähigkeit, hervorgerufen durch den "Huge Longitudinal Resistance" Effekt, zur Folge hatte. Wenn man annimmt, dass die Dämpfung der SAW nur an den Domänenwänden auftritt, würde dies im Rahmen unserer Messgenauigkeit bedeuten, dass die gesamte Domänendicke weniger als 1% der Probenfläche einnimmt. Unter Einbeziehung einer Hartree-Fock Näherung für die Domänenwände kommt man zu dem Schluss, dass die Ausdehnung der Domänen im Bereich des Phasenüberganges mehr als 2m betragen muss.