Nouvelles propriétés de transport dans les systèmes d'électrons multicouches, Novel transport properties in multilayer electron systems

Thesee - Steffen Wiedmann

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198 pages

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Sous la direction de Jean-claude Portal
Thèse soutenue le 01 octobre 2010: INSA de Toulouse
Ce travail de cette thèse présente les études sur l'influence du nouveau dégrée de liberté quantique, causé par le couplage tunnel entre les couches, sur les propriétés de transport des multi-puits quantiques dans un champ magnétique, à basse température, et sous irradiation micro-ondes. De nouvelles oscillations de résistance sont observées dans les systèmes d’électrons bi- et multicouches. Elles résultent d'une interférence entre les oscillations entre les sous-bandes et les oscillations induites par les micro-ondes. Des états à résistance nulle apparaissent lorsque les systèmes bicouches de haute qualité sous irradiation micro-ondes même en présence d’une diffusion additionnelle. Le mécanisme inélastique de la photorésistance est la contribution dominante à basses températures et sous un champ électronique modéré. Ce modèle confirme l'intégrité des estimations théoriques pour le temps de relaxation inélastique et mène à une explication satisfaisante de la photorésistance dans les systèmes d’électrons bi-et multicouches. Dans un champ magnétique intense, la suppression de l’effet tunnel entre les couches provoque des nouveaux états corrélés à cause d’une interaction électron-électron entre les différentes couches. Dans cette thèse, les systèmes électroniques tricouches, formés par de triples puits quantiques révèlent de nouveaux états de l’effet Hall Quantique fractionnaire si l’effet tunnel est supprimé par une composante parallèle du champ magnétique aux très basses températures (mK).
-États corrélés
-Systèmes d’électrons multicouches
-Magnéto-transport
-Oscillations induites par micro-ondes
-États à résistance nuls
-Effet Hall quantique entier et fractionnaire
This work is devoted to the investigation of the influence of the additional quantum degree of freedom caused by tunnel coupling on transport properties of multilayer electron systems in magnetic fields, at low temperatures and under microwave excitation. Microwave-induced resistance oscillations in bi- and multilayer electron systems are the consequence of an interference of magneto-intersubband and microwave-induced resistance oscillations which leads to peculiar oscillations in magnetoresistance. High-quality bilayer systems exposed to microwave irradiation exhibit zero-resistance states even in the presence of intersubband scattering. The inelastic mechanism of microwave photoresistance is found to be the dominant contribution at low temperatures and moderate microwave electric field. This model confirms the reliability of theoretical estimates for the inelastic relaxation time and leads to a satisfactory explanation of photoresistance in bi- and multilayer electron systems. In high magnetic fields, the suppression of tunnelling between layers causes new correlated states owing to electron-electron interaction in neighboured layers. In this thesis, trilayer electron systems formed by triple quantum wells reveal new fractional quantum Hall states if tunnelling is suppressed by a parallel component of the magnetic field at mK temperatures.
-Correlated states
-Multilayer electron systems
-Magnetotransport
-Microwave-induced resistance oscillations
-Zero-resistance states
-Integer and fractional quantum Hall effect
Source: http://www.theses.fr/2010ISAT0018/document

Informations

Publié par	Thesee
Nombre de lectures	28
Langue	English
Poids de l'ouvrage	6 Mo

Extrait

%NVUEDELOBTENTIONDU
$?LIVR?PAR
Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse (INSA Toulouse)
Matériaux, Technologies et Nano-Electronique
Steffen WIEDMANN
vendredi 1octobre 2010
4ITRE
Nouvelles propriétés de transport dans les systèmes d'électrons multicouches
(Novel transport properties in multilayer electron systems)
*529
G. Le LAY, Professeur, CINaM-CNRS, Marseille
M. DYAKONOV, Professeur, LPTA-CNRS, Montpellier (Rapporteur)
A. RAYMOND, Professeur, GES-CNRS, Montpellier (Rapporteur)
G. BREMOND, Professeur, INL-CNRS, INSA, Lyon
R. JALABERT, Professeur, IPCMS-DMONS, Strasbourg
J. C. PORTAL, Professeur, IUF-INSA Toulouse, CNRS LNCMI, Grenoble (Directeur)
%COLEDOCTORALE
Génie Electrique, Electronique et Télécommunications (GEET)
5NIT?DERECHERCHE
LNCMI Grenoble, UPR 3228, CNRS-INSA-UJF-UPS
$IRECTEURSDE4H?SE
Jean-Claude PORTAL
2APPORTEURS
Michel DYAKONOV, André RAYMOND
LE-6/*7&34*5?%&506-064&%0$503"5%&$ISCIPLINEOUSP?CIALIT?%0$503"5%&0R?SENT?EETSOUTENUEPAR

Meiner Familie

Bourse de thèse GEET-INSA Toulouse (2007-2010)
[Bourse MENRT]

COFECUB-USP Uc Ph 109/08
o
EuroMagNET, EU contract n 228043

Microwave facilities used from ANR MICONANO
Contents
La these en fran cais - sommaire substantiel 1
Introduction 21
1 Properties of magnetotransport in 2D electron gases 25
1.1 Fundamentals of 2D electron gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.1.1 Basic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.1.2 2DEG in a perpendicular magnetic eld . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2 Theory of magnetotransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2.1 Classical approach: Drude Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.2.2 The Boltzmann equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.2.3 Shubnikov-de Haas oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2.4 Integer Quantum Hall E ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.2.5 Fractional Quantum Hall E ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.2.6 Phonon induced resistance oscillations - PIROs . . . . . . . . . . 38
1.3 Magnetotransport in bilayer electron systems . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3.1 Basic properties of double quantum wells . . . . . . . . . . . . . 40
1.3.2 Magneto-intersubband oscillations (MIS oscillations) . . . . . . . 41
2 2D systems under microwave irradiation in magnetic elds 49
2.1 Discovery of MIROs and ZRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2 Theory of microwave-induced resistance oscillations (MIROs) . . . . . . 51
2.2.1 Displacement mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2.2 Inelastic mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.3 General description of microwave photoconductivity . . . . . . . 55
2.2.4 Electrodynamic e ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3 Experimental investigations - MIROs in high density samples . . . . . . 59
2.4 Fractional MIROs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.1 Theoretical models for FMIROs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4.2 FMIROs in high electron density samples . . . . . . . . . . . . . 64
2.4.3 Discussion and comparison of experiments with FMIRO theory . 69
3 Bilayer systems exposed to MW irradiation - double quantum wells 77
3.1 Preliminary results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2 Theoretical model: inelastic mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
III Contents
3.2.1 General formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2.2 Heating e ect due to MW irradiation . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2.3 Experimental results and theoretical analysis - tting procedure 86
3.3 Crossover between distinct mechanisms of microwave photoresistance . . 89
3.3.1 Experimental and theoretical basics . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.3.2 Extraction of the relaxation time . . . . . . . . . . . . . . . . 93in
3.3.3 Analysis based on both inelastic and displacement mechanism . . 95
3.4 Interference of FMIROs and MIS oscillations in a bilayer electron system 97
3.4.1 MIS and FMIRO interference at high temperatures . . . . . . . . 98
3.4.2 Extension to high MW electric

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