Untersuchungen zur Interrandkanal- und Hyperfeinwechselwirkung im Quanten-Hall-Effekt

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Wechselwirkung eindimensionaler, separat kontaktierter Randkanäle im Integralen und Fraktionalen Quanten-Hall-Effekt-Regime sowie deren Wechselwirkung mit dem Kernspinsystem untersucht. Zu diesem Zwecke wurden Transportmessungen bei tiefen Temperaturen an Proben aus GaAs/AlxGa1-xAs-Heterostrukturen mit zweidimensionalen Elektronensystemen hoher Ladungsträgerbeweglichkeiten durchgeführt. Zur separaten Kontaktierung einzelner oder auch mehrerer Randkanäle wurden verschiedene Ausführungsformen der sog. Quasi-Corbino-Probengeometrie verwendet. Letztere erlaubt es, separat kontaktierte Randkanäle in einem räumlich definierten Gebiet zur Wechselwirkung zu bringen und so den Interrandkanaltransport zu untersuchen. Dabei hängt die Art und Intensität der Wechselwirkung von der jeweils relevanten, die Randzustände trennenden Energielücke sowie von extern definierbaren Parametern ab. Transportmessungen bei tiefen Temperaturen liefern nichtlineare Kennlinien, welche denen einer Rückwärtsdiode gleichen und sich mit Hilfe des Landauer-Büttiker-Formalismus sowie des von Chklovskii et al. entwickelten Bildes kompressibler und inkompressibler Bänder interpretieren lassen. Insbesondere weisen die I−V-Kennlinien des Ladungstransports zwischen Randzuständen, welche durch die Zeeman-Energielücke voneinander getrennt sind, eine ausgeprägte Hysterese auf, welche sich auf die Hyperfeinwechselwirkung mit den umgebenden Kernspins zurückführen lässt. Über diese sog. Flip-Flop-Streuung zwischen umklappenden Elektron- und Kernspins kann lokal, im Bereich der Randkanalwechselwirkung, eine Kernspinpolarisation induziert werden. Deren Polarität und Amplitude ist von den den Interrandkanaltransport bestimmenden Parametern abhängig. Der mit dieser Methode erzeugte Grad der lokalen Kernspinpolarisation beträgt maximal ca. 98% des in GaAs erreichbaren Werts (entsprechend einem nuklearen Overhauser-Feld von ca. 5,2T) und übertrifft damit alle derzeit aus der Literatur bekannten, experimentell realisierten Polarisationsgrade. Ferner lassen sich zwei Zeitkonstanten der Kernspinpolarisation bzw. -depolarisation bestimmen und es wird gezeigt, dass die zerfallende Kernspinpolarisation über einen inversen Flip-Flop-Prozess eine messbare Spannung zwischen den spinpolarisierten Randkanälen erzeugt. Insgesamt stellt also die Hyperfeinwechselwirkung zwischen Kernen und den Elektronen der Quanten-Hall-Effekt-Randkanäle eine effiziente Methode zur Herstellung und Detektion einer lokalen Kernspinpolarisation dar, wie sie z. B. für die Anwendung in einem Spin-Computer benötigt würde. Die Ergebnisse der Messungen im Fraktionalen Quanten-Hall-Effekt-Regime lassen darauf schließen, dass Randkanäle fraktionaler Leitfähigkeit 1/3 e2/h separat kontaktierbar sind und sich ihre Wechselwirkung gleichfalls mit Hilfe des Landauer-Büttiker-Formalismus beschreiben lässt. Teilweise ist es gelungen, die die fraktionalen Randzustände trennende Energielücke zu bestimmen. Eine Abwandlung der Quasi-Corbino-Geometrie – die sog. Dreipolgeometrie – ermöglicht es, insgesamt drei Randkanalsysteme separat zu kontaktieren und deren Wechselwirkung in zwei räumlich getrennten Regionen am Probenrand zu untersuchen. Eine transistorähnliche Beschaltung der separat kontaktierten Randkanäle liefert Kennlinienfelder, welche sich mit Hilfe einer simulierten Ersatzschaltung aus zwei parallel-geschalteten Bipolartransistoren qualitativ reproduzieren lassen.