Fázové přechody prvního druhu v kvantovém Hallově feromagnetu

V. Piazza, V. Pellegrini, F. Beltram, W. Wegscheider, T. Jungwirth, A. H. MacDonald

Jednočásticové energetické spektrum dvojrozměrného elektronového plynu v kolmém magnetickém poli tvoří ekvidistantní energetické hladiny, tzv. Landauovy hladiny. V důsledku spinových interakcí dochází u všech hladin k rozštěpení. Degenerace každé hladiny je úměrná intenzitě magnetického pole. Faktor plnění, ν, je poměr počtu elektronů a degenerace dané Landauovy hladiny. Nabývá-li ν celočíselných nebo určitých racionálních hodnot, dochází ke kvantovému Hallově jevu. Pro něj je charakteristická "mizivě malá" hodnota podélného odporu a kvanovaná hodnota (příčného) Hallova napětí. Režim kvantového Hallova jevu nabízí možnost kontrolovaně studovat mnohačásticové kooperativní jevy, jako jsou fázové přechody mezi uspořádaným a neuspořádaným stavem (obdobné jevům, jež můžeme pozorovat v konvenčních magnetech). Pro režim kvantového Hallova jevu existují předpovědi výskytu ferromagnetických základních stavů (jak isotropních, tak i anizotropních); pro některé z nich existují experimentální studie na vzorcích s rozličnými geometriemi a faktory plnění.

Zde přinášíme doklad existence fázových přechodů prvního druhu v kvantových hallovských stavech (ν = 2, 4) uzavřených v široké galium-arsenidové kvantové jámě. Pozorovali jsme hysterezi a anomální teplotní závislost podélného odporu. Ty svědčí o přechodu mezi dvěma různými základními stavy Isingova kvantového Hallova ferromagnetu. Mikroskopický původ pole anizotropie je stanoven s využitím detailních mnohačásticových výpočtů [1].

Závislosti podélné rezistivity ρ_xx na rostoucím a klesajícím magnetickém poli při teplotě T = 330 mK v blízkosti faktoru plnění ν = 4, získané vždy poté, co byl u vzorku proveden tepelný cyklus. Dvojice šipek zhruba rovnoběžných s křivkami vyzačuje, která z křivek odpovídá rostoucímu a která klesajícímu průběhu nagnetického pole. Přítomnost hystereze pokaždé koreluje s potlačením stavu s ν = 4 (svislé šipky). Posun polohy stavu s ν = 4 signalizuje trochu (o méně než 15%) změněnou celkovou elektronovou hustotu po provedení teplotního cyklu.

[1] Vincenzo Piazza, Vittorio Pellegrini, Fabio Beltram, Werner Wegscheider, Tomas Jungwirth, Allan H. MacDonald: Nature 402 638 (1999), doi:10.1038/45189.