低温強磁場下の2次元電子系:量子ホール効果と基底状態

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05452044
• 研究機関: 学習院大学
• 研究代表者: 川路 紳治 学習院大学, 理学部, 教授 (00080440)
• 研究分担者: 岡本 徹 学習院大学, 理学部, 助手 (60245371)
• キーワード: 2次元電子系 / 強磁場 / 低温 / 基底状態 / 量子ホール効果 / ブレークダウン / アンダーソン局在 / 金属-絶縁体転移

研究概要

本研究では、低温度強磁場下の2次元電子系の物性の中で、量子ホール効果のブレークダウンと低電子濃度基底状態の研究を行なった。
1.量子ホール効果のブレークダウン:電子濃度と電子移動度が異なる5種類のGaAs/AlGaAsへテロ接合ウエハから電流電極間距離2600μm,電流電極幅400μmのホールバ-の中央測定部幅を3から60μmの範囲で変えた試料を製作し、量子ホール効果のブレークダウン特性を0.5Kの温度と15.6Tまでの磁場で測定し、ブレークダウン電流が試料幅に比例することを確かめた。これは、ホール抵抗の量子化が端状態によるものでないことを示す。量子数が2から8の偶数プラトーで測定したブレークダウン臨界ホール電場は磁場の3/2乗に比例し、試料移動度には依存しなかった。磁場依存性は、ブレークダウンがランダウ準位間のツェナ-遷移によることを示す。
2.低電子濃度基底状態:GaAs/AlGaAsヘテロ接合2次元電子系の電子移動度が20m^2/Vsの試料で、0.3Kまでの低温度で23Tまでの磁場で対角抵抗とホール抵抗を測定し、活性化エネルギーのランダウ準位充填率依存性を求め、先に測定した電子移動度が35m^2/Vsの試料の結果と合わせて検討した。他の研究者による高移動度試料の結果も含めて、電子間クローン相互作用エネルギーで活性化エネルギーを規格化した結果はランダウ準位充填率の関数として比較できた。これは電子間クーロン相互作用が低電子濃度領域の絶縁体相の電子状態を支配していることを示す。また、最大移動度が2.5m^2/Vsおよび0.8m^2/VsのSi-MOS FETの対角抵抗とホール抵抗を、50mKまでの低温度と15.6Tまでの磁場中で測定し、金属-絶縁体転移を調べた。これらの試料で測定した結果は、転移が現われる電子濃度は異なるが、金属-絶縁体転移の全体の特性は一致した。これは、この系の絶縁体相はウイグナ-結晶ではなく、アンダーソン局在相であることを示す。

研究成果

• [文献書誌] S.Kawaji,K.Hirakawa,M.Nagata,T.Okamoto他2名: "Breakdown of the quantum Hall effect in GaAs/AlGaAs heterostructures due to current" Journal of Physical Society of Japan. 63. 2303-2313 (1994)
• [文献書誌] N.Nagashima,M.Date,J.Wakabayashi,S.Kawaji他4名: "Comparison of quantized Hall resistances R_H(2)and R_H(4)of a GaAs/AlGaAs heterostructure device" IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 43. 521-525 (1994)
• [文献書誌] A.Fukano,S..Kawaji他6名: "Inter-electron Coulomb interaction and disorder in the activated transport in magnetic-field-induced insulating phase in 2D systems" Proc.11th Int.Conf.on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics,August 8-12,1994,MIT,USA. (to be published).
• [文献書誌] T.Okamoto,K.Shinohara S.Kawaji: "Transition from Quantum Hall metal to insulator inducedby floating-up of extended-state ands in Si-MOSFET's" Proc.11th Int.Conf.on High Magnetic Fields in Semi-conductor Physics,August 8-12,1994,MIT,USA. (to be published).
• [文献書誌] S.Kawaji: "Quantum Hall effect:Its Breakdown due to current" Proc.International Workshop on Advances in High Magnetic Fields,February 20-22,1995,National Institute of Metals,Tsukuba,Physica B. (to be published).