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Beobachtung von Landau-Niveaus in GaAs bei Raumtemperatur mittels zeitaufgelöster Spektroskopie

21.10.2022

 

Für die Realisierung der elektrischen Widerstandseinheit „Ohm“ mittels des Quanten-Hall-Effekts werden zurzeit meist noch Galliumarsenid- Widerstandsnormale genutzt, die bei tiefen Temperaturen betrieben werden. Mithilfe ultraschneller optoelektronischer Experimente gelang es nun, Übergänge zwischen den Quanten-Hall-Niveaus in einem Volumenhalbleiter bei Raumtemperatur zu detektieren.

 

Typischerweise erfolgt die Beobachtung von Quanteneffekten wie dem Quanten-Hall-Effekt (QHE) unter experimentell anspruchsvollen Bedingungen, zum Beispiel in hohen Magnetfeldern von etwa 10 Tesla und bei sehr tiefen Temperaturen von wenigen Kelvin. Außerhalb dieser Parameterbereiche sind die Energieabstände benachbarter Quantenzustände oftmals so klein, dass diese durch Linienverbreiterung nur schwer detektiert werden können. Aus diesem Grund wird intensiv an Methoden und Materialen geforscht, mit denen diese Quanteneffekte bereits bei weniger anspruchsvollen Bedingungen beobachtet werden können. Ein Beispiel hierfür ist die Realisierung des QHE in Graphen (siehe „Erfolgreiche Evaluierung von Graphen-Quantenwiderständen der PTB durch das BIPM“).

 

Aufgrund der metrologischen Bedeutung des QHE untersucht die PTB im Rahmen eines DFG-Projekts eine Materialeigenschaft, die eng mit dem QHE verbunden ist: die sogenannte „Berry-Krümmung“. Diese ist nicht nur für den QHE, sondern auch für den sogenannten Anomalen-Hall-Effekt (AHE) relevant. Die Charakterisierung des AHE lässt Rückschlüsse auf die zugrundeliegende Berry-Krümmung zu und ist im Vergleich mit QHE-Untersuchungen experimentell leichter zugänglich. Die Untersuchungen basieren auf einem optoelektronischen Anrege-Abfrage-Experiment, das mithilfe eines gepulsten Lasers durchgeführt wurde. Ein Anregepuls erzeugt im GaAs-Halbleiter spin­polarisierte Ladungsträger. Liegt an der Probe ein äußeres Magnetfeld an, so führt der AHE zu charakteristischen ultraschnellen Strömen, die wiederum anhand der von ihnen emittierten Strahlung mit dem Abfragepuls detektiert werden können.

 

Mithilfe dieses Experiments gelang es nachzuweisen, dass die Amplitude der Stromstärken im AHE-Regime Maxima bei bestimmten Anregungsphotonenenergien aufweist. Der Verlauf der Energie dieser Amplitudenmaxima über dem äußeren Magnetfeld ist annähernd linear und zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Literaturwerten für Übergänge zwischen den dem QHE zugrunde liegenden Energieniveaus in GaAs (siehe Bild). Interessanterweise besteht dieser Effekt sowohl bei tiefen Temperaturen − wie sie für die metrologische Anwendung des QHEs derzeit notwendig sind − als auch bei Raumtemperatur. Die neue Methode könnte zukünftig genutzt werden, um weitere Quanteneffekte auch bei erhöhten Temperaturen zu untersuchen.

 

Bild: Gemessene Strahlungsamplitude in Abhängigkeit vom Magnetfeld und Anregungsphotonenenergien, gemessen an einer GaAs-Probe bei Raumtemperatur und als Farbverläufe dargestellt. Die schwarzen Punkte zeigen die erwarteten Energien der optischen Übergänge der Energieniveaus.

 

 

 

Ansprechperson:

Christoph Dresler

Fachbereich 2.5 „Halbleiterphysik und Magnetismus"

christoph.dresler(at)ptb.de