Picosecond time-resolved transport studies in a two-dimensional electron system

Abstract

The work is motivated by the objective to perform ultra-fast time-resolved transport measurements on nanostructures, mesoscopic and low-dimensional devices in strong magnetic fields and an ultra-cold cryogenic environment. One part of the work demonstrates the photoconductive sampling technique to study the excitation of a two-dimensional electron system based on GaAs/AlGaAs heterostructure on a picosecond time scale. The time-resolved experiments are performed in the magnetic field on a non-patterned rectangular stripe of a two-dimensional electron system. In the time domain magnetic field dependent signal revealed a wealth of collective plasmon excitations: bulk and edge magnetoplasmons. The various modes of plasmon excitations could be identified by Fourier transforming the time domain data and a wavevector could be assigned to each excitation mode of bulk magnetoplasmons. The Fourier spectrum showed the magnetoplasmon excitations with frequencies up to 0.5 THz. The experiments performed on stripes with different lengths and for two electron densities corroborate both the excitation of various plasmon modes and the wave vector assignment to each mode. Beside the excitation spectrum, the time-domain data also allowed to extract the electrical pulse propagation velocity in the 2DES. An alternative method to investigate the excitation of the electron gas is time dependent electrical pulse correlation measurement. This method probes the non-linearity of the system and was demonstrated on a stripe of the 2DES. The Fourier transform shows a single line which can be attributed to the ground mode of plasmon excitation. This excitation extends up to a frequency of 1 THz. A remarkable feature of the spectrum is a line at the double frequency of the electron cyclotron resonance. Its observation is a strong indication of a non-linearity in a two-dimensional electron gas. Furthermore, the signal trace along the field axis at zero delay time can be correlated with the integer filling factor of the Landau levels: the correlation signal exhibits a dip whenever an even number of Landau levels is filled.

Another part of the work deals with the ballistic electron transport in a novel mesoscopic device, for which time resolved transport experiments can be performed. This novel device geometry enabled us to observe the effect of the disorder potential on the ballistic electron transport in macroscopic DC experiment. A part of the disorder potential originates from the charge fluctuation in the donor layer of the heterostructure, which perturbs the potential landscape of electrons by a few percent of the Fermi energy. This affects, however, considerably the electron ballistic transport - the electron flow forms branches. So far this phenomenon was only observed in scanning imaging experiment. When measuring the magnetoresistance curve in DC transport, the modification of the electron flow manifests itself in a variable shape of the collimation peak. Its shape depends strongly on the potential landscape through which the electrons move. Beside the collimation peak the corner device exhibits also peaks which appear due to the focusing of the electron trajectories by the magnetic field – magnetic focusing peaks. They are less sensitive to the influence of disorder. And therefore the novel device allows for studying the competition between two focusing mechanisms: random focusing by the disorder potential and deterministic focusing by the magnetic field. One should stress that branching is not specific to the material used, the details of the geometry, it is a consequence of particle flow in a weak disorder potential. Therefore, when interpreting the results of experiments performed in the ballistic regime, one should always be aware of the effect of the disorder potential.

Die Motivtion der vorliegenden Arbeit ist die Durchführung der ultraschnellen zeitaufgelösten Transportmessungen in Nanostrukturen, mesoskopischen und niederdimensionalen Bauelemneten in hohen magnetfeldern und bei niedrigen Temperaturen. In einem Teil der Arbeit wird Photoleitungs-Sampling Methode angewendet, um die zeitaufgelösten Messungen an dem zwei-dimensionalen Elektronensystem(2DES) durchzuführen. Das dafür verwendete Bauelement ist ein rechteckiger Streifen, der ein 2DES basierend auf GaAs/AlGaAs Heterostrukture enthält. Die auf dem Streifen gewonnenen Zeitbereichsdaten zeigen ein magnetfeldabhängiges Signal. Die Fouriertransformation des Signals entlang der Zeitachse zeigte die Anregung mehrerer Moden der Magnetoplasmonen mit Frequenzen bis zu 0.5 THz. Die Phase der Fouriertransformation ermöglichte die Zuordnung des Wellenvektors zu jeder Anregungsmode. Die Experimente wurden für Streifen unterschiedlicher Länge und für zwei Ladungsträgerdichten durchgeführt und bestätigten sowohl die Anregung der unterschiedlichen Moden als auch dieWellenvektorzuordnung. Außer dem Anregungsspektrum kann man aus den Zeitbereichsdaten auch die Propagationsgeschwindigkeit des Pulses im 2DES bestimmen.

Ein anderer Ansatz für zeitaufgelöste Untersuchungen basiert auf der Korrelation der elektrischen Pulse. Diese Methode eignet sich für die Untersuchung der nichlinearen Eigenschaften des 2DES und ist für Experimente am Streifen des Elektrongases angewendet worden. Das Spektrum des Korrelationssignals zeigt eine Linie, die als die Anregung der Plasmonengrundmode interpretiert werden kann. Diese Anregung ist bis zu 1 THz zu sehen. Bemerkenswert ist auch das Auftreten einer Spektralkomponente bei der doppelten Frequenz der Elektronzyklotronresonanzfrequenz. Das Vorhanden dieser Linien ist ein starker Hinweis auf die Nichtlinearität in dem Elektronengas. Des Weiteren kann die Messkurve entlang der Magnetfeldachse bei Zeitpunkt Null mit den ganzzahligen Füllfaktoren der Landauniveaus korreliert werden; die Messkurve zeigt einen Dip bei geradzahligen Füllfaktoren.

In dem anderen Teil der Arbeit handelt es sich um den ballistischen Elektronentransport in einer modifizierten Geometrie der transversalen Anordung für die Fokussierung des Elektronflusses im Magnetfeld. Die neue Geometrie ermöglichte den Einfluss des Unordnungspotentials auf den ballistischen Elektronentransport in einem einfachen DC-Transportexperiment zu beobachten. Ein Teil des Unordnungspotentials entsteht durch Ladungsfluktuationen in der Donatorenschicht der Heterostruktur. Diese Störung der Potentiallandschaft der Elektronen beträgt nur weniger Prozent der Fermienergie. Trotz des angeblich kleineren Einflusses auf die Elektronenbewegung, wird der Elektronentransport stark beeinflusst. Der Elektronenfluss wird fokussiert und bildet Zweige aus. Bis jetzt wurde dieses Phänomen nur mit Rastersondenmikroskopie beobachtet. In der DC-Transportmessung äußert sich die Änderung des Elektronenflusses in der Änderung der Form des Kollimationspeaks, die stark davon abhängt, in welcher Potentiallandschaft sich Elektronen bewegen. Außer dem Kollimationspeak werden Peaks beobachtet, die durch die Fokussierung des Elektronflusses in dem Magnetfeld zustandekommen. Sie sind weniger empfindlich auf die von dem Unordnungspotential verursachten Störungen des Elektronflusses als der Kollimationspeak. Damit ermöglicht das Bauelement die Untersuchungen von zwei Fokussierungsmechanismen: zufällige Fokussierung des Elektronenflusses durch das Unordnungspotential (Verzweigung) und deterministische Fokussierung des Elektronenflusses in dem Magnetfeld. Es muss betont werden, dass die Verzweigung des Elektronflusses weder die materialspezifisch ist noch von der Geometrie des Bauelements abhängt. Sie ist lediglich die Konsequenz der Elektronenbewegung in einem Unordnungspotential. Daher muss stets der Einfluss des Unordnungspotentials bei der Interpretation der im ballistischen Regime durchgeführten Experimente berücksichtigt werden.