Quantum Hall based Aharonov-Bohm spectroscopy: electron-electron interaction in non-linear magnetotransport

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Stefan Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 218453298

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der ganzzahlige Quanten-Hall-Effekt (QHE) gehört zu den fundamentalsten und gleichzeitig erstaunlichsten Phänomenen der Physik der kondensierten Materie. Wie Klaus von Klitzing 1980 entdeckte, ist der Hall-Widerstand in Bruchteilen der fundamentalen Konstante h/e quantisiert, wobei das Planck’sche Wirkungsquantum h und die Elementarladung e seit der Revision des Internationalen Einheitensystems (SI) im Mai 2019 exakt definierte Werte haben. Trotz seiner Bedeutung für die Metrologie als probenunabhängiges Widerstandsnormal ist unser mikroskopisches Verständnis des QHE’s noch nicht vollständig. Die vereinfachende Vorstellung des bekannten Landauer-Büttiker Bildes, dass der Strom im Bereich des quantisierten Hall Widerstand’s in chiralen eindimensionalen Randkanälen fließt, ist mittlerweile theoretisch und experimentell widerlegt. Stattdessen fließt der Strom in sogenannten inkompressiblen Streifen (ICS), die sich aufgrund einer Kombination der Coulombwechselwirkung zwischen den Ladungsträgern und der Ausbildung einer lokalen Landau-Energielücke bilden. Aufgrund der Energielücke ist der Strom dort widerstandslos. Die sogenannte “Screening Theory” sagt zudem vorher, dass sich die ICSs mit zunehmendem Magnetfeld innerhalb eines quantisierten Plateaus des Hall-Widerstands allmählich von den Rändern einer zweidimensionalen leitfähigen Probe in ihre Mitte bewegen und dabei beträchtlich breiter werden, bis schließlich ein einziger ICS fast den gesamten leitfähigen Bereich einnimmt. In dem vorliegenden Projekt konnten wir die “Screening Theory” durch mehrere Experimente bestätigen. Insbesondere gelang uns mithilfe von winzigen ohmschen Kontakten innerhalb der Probe nachzuweisen, wie sich die ICSs vom Rand ins Innere der Probe verbreitern. Dabei fanden wir heraus, dass der Strom selbst im Falle eines einzigen zentralen ICS noch chiral ist, also an gegenüberliegenen Seiten des Hall-Balkens in entgegengesetzte Richtung fließt, obwohl in diesem Fall keine getrennten stromführenden Kanäle für die unterschiedlichen Richtungen bestehen. Unsere experimentellen Ergebnisse führten schließlich zu einem wesentlich besseren Verständnis der mikroskopischen Elektrostatik und Dynamik der Ladungsträger im Regime des QHE’s.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Anomalous resistance overshoot in the integer quantum Hall effect. Scientific Reports, 3(1).
  Kendirlik, E. M.; Sirt, S.; Kalkan, S. B.; Dietsche, W.; Wegscheider, W.; Ludwig, S. & Siddiki, A.
  
• Mesoscopic Field-Effect-Induced Devices in Depleted Two-Dimensional Electron Systems. Physical Review Applied, 8(6).
  Bachsoliani, N.; Platonov, S.; Wieck, A. D. & Ludwig, S.
  
• The topological in-equivalence of Hall bar and Corbino geometries in coordinate space: Screening theory and direct transport experiments. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 153(2023, 9), 115780.
  Sırt, Serkan; İren, Emre; Ekşi, Deniz; Tunalı, Aylin Yıldız; Güvenilir, Eren; Kendirlik, Enver M.; Ofek, Nissim; Umansky, Vladimir; Ludwig, Stefan & Siddiki, Afif
  
• Current distribution and chirality in the regime of the quantized Hall effect. arXiv:2407.01277 (2024)
  Sirt, S.; Kamm, M.; Umansky, V. Y. & Ludwig, S.
  
• Direct measurement of bulk currents in the quantized Hall regime. arXiv:2405.05138 (2024)
  Sirt, S.; Umansky, V. Y.; Siddiki, A. & Ludwig, S.