Laboratorium naukowe magnetotransportu przy niskich i ultra niskich temperaturach

Laboratorium naukowe magnetotransportu przy niskich i ultra niskich temperaturach

 

Pracownicy:

Dr Grzegorz Tomaka - Kierownik Laboratorium

Dr Michał Marchewka

Dr Dariusz Żak

Mgr Paweł Śliż


Laboratorium Kriomagnetyczne wyposażone będzie w system magnesu nadprzewodzącego generującego pole magnetyczne do 14 Tesli. Dzięki wykorzystaniu w nim 3He  będą możliwe pomiary w zakresie temperatur 0.3K-300K. W laboratorium będą prowadzone badania transportu elektronowego w strukturach półprzewodnikowych o obniżonej wymiarowości (2D, 1D, 0D) wytworzonymi w Laboratorium Epitaksji Związków III-V oraz II-VI. W szczególności będą wykonywane obserwacje Kwantowego Całkowitego Efektu Halla (IQHE), Oscylacji Szubnikowa de Hassa (SdH) oraz w wyższych temperaturach Rezonans Magnetofononowy (MPR) próbek (o różnej architekturze) przygotowanych w Laboratorium Litografii. Uzyskane wyniki pomiarów posłużą przygotowaniu wdrożeniowych materiałów do kwantowej elektroniki dla przemysłu. W Laboratorium Kriomagnetycznym będą prowadzone zajęcia studenckie, przewiduje się również wykonywanie prac licencjackich, magisterskich, a także doktorskich. Towarzyszący wysokiej klasy sprzęt pomiarowy umożliwi równoczesne pomiary czterech próbek metodą stało lub zmiennoprądową, zaś mierzone sygnały na poziomie mikro i nanowoltów będą zbierane i archiwizowane. Całość systemu sterowana będzie dzięki  oprogramowaniu napisanym
w środowisku LabVIEW .


 

Transport elektronowy w strukturach kwantowych – pojedynczych studniach kwantowych (SQW), podwójnych studniach kwantowych (DQW) i strukturach zawierających wiele studni kwantowych (MQW)

 

        Badania takich obiektów w naszym Laboratorium dotyczą głównie magneto-transportu w silnych polach magnetycznych.  Istnieją dwa rodzaje magneto-transportu elektronowego: równoległy oraz prostopadły. Dwa efekty oscylacyjne – efekt Szubnikowa-de Haasa (SdH), Kwantowy efekt Halla (IQHE) oraz Rezonans Magnetofononowy (MPR) razem tworzą wyczerpujące metody zmierzające do określenia parametrów kwasi-dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) w badanych strukturach. SdH i IQHE są obserwowane w temperaturach (0.3K – 6K) pozwalają one określić koncentracje 2DEG, ruchliwość elektronów, poziom Fermiego i energie poziomów Landaua. MPR z absorpcją fononów jest obserwowany przy temperaturach ponad 77K, pozycje pików MPR w polu magnetycznym pozwalają na obliczenie energii: poziomów Landaua, efektywnej masy elektronów, a także ruchliwości elektronowej w temperaturach bliskich do warunków eksploatacji  przyrządów, pracujących na bazie badanych właśnie tych struktur.

 

SQW

W latach 2001-2005 wykonany zostały cykl eksperymentów magneto-transportu równoległego w InGaAs/InAlAs/InP SQWs otrzymanych metodą MOCVD o różnych kształtach QW i z różnymi poziomami domieszkowania w strukturach o dużym znaczeniu aplikacyjnym (tranzystory typu HEMT). Obserwacje SdH i IQHE w ultraniskich temperaturach w okolicy  0.3K pozwoliły na wyznaczenie parametrów 2DEG, dzięki czemu zaproponowano optymalną inżynierie QW dla HEMT. Pozwoliło to na zmniejszenie niedopasowanie stałych sieci w użytych materiałach i uzyskać prostopadły kształt QW dla kanału przewodnictwa wykonanego z InGaAs.  Ruchliwość elektronowa w kanale osiągała wielkość 2.6x105 cm2/Vs przy 2D elektronowej koncentracji 3.5x1012 cm-3. Zaproponowana inżynieria jest perspektywiczna i atrakcyjna dla nowoczesnej elektroniki.

 

              shape, QHE and Magnetoresistance, SQW #1098:

 

Publikacje:

  1. E.M. Sheregii, D. Ploch, M.Marchewka, G. Tomaka, A.Kolek, A, Stadler, K. Mleczko, W. Strusiński, A. Jasik, R. Jakiela, Low Temperature Physics, 30,  1146 (2004)
  2. G.Tomaka, E.M. Sheregii, T.Kąkol, W. Strupiński, A. Jasik and R.Jakiela, Charge carriers parameters in the conductive channels of HEMTs,Physica Status Solidi (a), 195, 127 (2003),
  3. G. Tomaka, E.M. Sheregii, T. Kąkol, W. Strupinski, R. Jakiela, A. Kolek, A. Stadler, K. Mleczko, Magnetotransport in single InGaAs quantum wells of different shapes, Cryst. Res. Tech., 38, 407 (2003).

 

 

DQW

 

W równoległym i prostopadłym magneto-transporcie w DQW przejawiają się efekty związane z tunelowaniem:

•          Rozszczepienie na symetryczne i anty-symetryczne stany elektronowe tzw. DSAS-gap;

•          DSAS gap jest proporcjonalna do pola magnetycznego B. Proporcjonalność ta zanika w silnych polach magnetycznych.

Przeprowadzone eksperymenty dla DQW ujawniły efekt dudnienia oscylacji SdH zarówno z prostopadłym kształtem potencjału QW oraz trójkątnym. W celu wyjaśnienia powstałego zjawiska należało wprowadzić dwa kwasi-poziomy energii Fermiego, które charakteryzują dwa podsystemy elektronowe stanów symetrycznych i antysymetrycznych w DQW.

Istnienie  dwóch kwasi poziomów Fermiego oznacza, że w DQW układ elektronowy może być podzielony na dwa podsystemy o symetrycznych i anty-symetrycznych funkcjach falowych. Można traktować te dwa podsystemy, jako słabo oddziaływujące, ponieważ  elektron-elektronowe  oddziaływanie ich nie wymiesza, oznacza to, że są one opisywane własnymi funkcjami rozkładu i scharakteryzowanymi ich własnymi kwasi poziomami energii Fermiego.

Zostały również przeprowadzone obserwacje MPR w DQWs o różnych kształtach QWs i różnych wartościach koncentracji elektronowej w zakresie temperatur 77K- 90K w impulsowych polach magnetycznych do 40T. Wyraźne MPR-oscylacje obserwowane były dla DQWs z prostopadłym kształtem QWs, a w przypadku trójkątnego kształtu zarejestrowane zostało szerokie pasmo  składające się z dużej ilości pików w zakresie od 5T to 25T. do interpretacji MPR oscylacji w DQW wykorzystano cztery rodzaje LO-fononów. W ten sposób każdemu MPR-pikowi odpowiada grupa przejść elektronowych. Zauważalna jest, w formowaniu MPR-pików, dominującą rolę InAs-podobnych LO-fononów.

W MPR w DQWs również ważna jest statystyka elektronów dla zdegenerowanego 2DEG: przejścia elektronowe odbywają się poprzez przejście przez poziom Fermiego. Ekranowanie oddziaływania wymiennego jest szczególnie ważne – ekranowanie usuwane jest w silnym polu magnetycznym, co powoduje wzrost DSAS-gap aż do osiągnięcia limitu kwantowego. Po osiągnięciu limitu kwantowego DSAS-gap pozostaje stałe, jest to zgodnie z przewidzeniami teorii D. Huang and M.O. Monosrech model (Phys. Rev. B 54, 2044 (1996)).

 

 

Beating of the SdH-oscillations in DQW #2506                                    MPR for DQW # 3183         

 

 

Publikacje:

 

  1. M. Marchewka, E.M. Sheregii, I. Tralle, D. Ploch, G. Tomaka, M. Furdak, A. Kolek, A. Stadler, K. Mleczko, D. Zak, W. Strupiński, A. Jasik, R. Jakiela, Magnetosp[ectroscopy of Double Quantum Wells,  Physica E40, 894-904, (2008).
  2. M. Marchewka, E.M. Sheregii, I. Tralle, G. Tomaka, and D. Ploch, Weakly interacting Symmetric and antisymmetric states in bilayer Systems, Inter. J. of Moder. Phys. B21, 15181 (2007)
  3. D. Płoch, E.M. Sheregii, M. Marchewka, M. Woźny and G. Tomaka, Magnetophonon Resonance in Double Quantum Wells,  Phys. Rev. B79,195434 (2009)
  4. M. Marchewka, E.M. Sheregii, I. Tralle, D. Płoch, A. Marcelli and M. Piccinini Optically detected symmetric and anti-symmetric states in DQW at room temperature,  Phys. Rev. B80, 125316  (2009).

MQW

Przeprowadzone badania ujawniły subtelną struktura pików MPR w transporcie równoległym w MQW’s bazującym na GaAs/AlGaAs-heterostrukturch  (dziesięć GaAs-QW i odpowiednio jedenaście AlGaAs-barier).

Rozszczepienie stanów elektronowych spowodowane tunelowaniem w sprzężonych dziesięciu QW’s nie przejawiło się w oscylacjach SdH i IQHE przy niskich temperaturach (1.6K), tym bardziej nie ujawniło się się w temperaturach powyżej 77K gdzie obserwowany jest MPR.

Zaobserwowana subtelna struktura pików MPR w MQW’s jest spowodowana udziałem różnych mod fononowych należących do QW i barier.

 

IQHE and SdH-oscillations in DQW #151

Publikacje

  1. E. M. Sheregii, Magnetophonon resonance as method of studying the vertical and parallel transport in superlattices and MQW structures. SPIE Proceedings series, v. 3725, Bellingham, Washington, 1998, pp. 134-143.
  2. G. Tomaka, J. Cebulski, E. M. Sheregii, W. Ściuk, W. Strupiriski, and L. Dobrzariski, Role of the thermal stress on the Magnetophonon peak structure in the parallel transport o GaAs/AIGaAs Multiple Quantum Wells, Acta Phys. Pol. A94, 597 (1998).
  3. G. Tomaka, J. Cebulski, E. M. Sheregii, W. Ściuk, W. Strupiriski, and L. Dobrzariski, Magnetophonon Resonance as method of controlling of the thermal stress in the multiple quantum wells, Material Science and Engeneering A288, 138 (2000).
  4. G. Tomaka, E.M. Sheregii, T. KakolApplication of magnetophonon resoance to control the thermal stress in multiple quantum wells,  Material Science and Engeneering, B 80, 173 (2001).
  5. Ploch, E Sheregii, M Marchewka and G Tomaka, Magnetophonon resonance in multimode lattices and two-dimensional structures (DQW), J.Phys.: Conf. Ser. 92,  012066 (2007).
  6. M.Zybert, M. Marchewka, G.Tomaka, E.M. Sheregii, Electron - electron interaction in Multiple quantum Wells Physica E 44,2056 (2012)

 

Rozprawa doktorska Grzegorza Tomaki “Efekty oscylacyjne w strukturach z wieloma studniami kwantowymi”  została nagrodzona przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego w 2009 r.

 

 

Izolatory Topologiczne

 

Jednym z najbardziej zaskakujących odkryć, jakie pojawiły się na przekroju Fizyki fazy skondensowanej i Inżynierii materiałowej w ostatniej dekadzie, jest uświadomienie sobie, że relatywistyczne efekty elektronów w związkach o silnym oddziaływaniu spin-orbita wywołują Dirac, Majorana i Weyl Fermions. Bezmasowe Fermiony Diraca, o liniowej zależności energii od pędu doprowadziło do nowej klasy materii kwantowej - Topologiczne Izolatory (TI) z prowadzącymi stanami powierzchniowymi, które są topologicznie chronione przed rozproszeniami oraz szczeliną energetyczną w środku.  TI mają ogromny potencjał aplikacyjny ze względu na ich unikalne fizyczne własności.

W CMiN UR prowadzone są badania nad TI bazującymi na roztworach stałych HgCdTe.

 

Landau level index for the data of Fig. 2b, 3b and 4 plotted as a function of inverse magnetic field. The intercept of this plot for infinite magnetic field gives a value of -1/2 for samples AB9, B9, B4 and B6, which provides evidence that the observed IQHC can be well described by the two Dirac cones model. In the case of the B5 sample a spin splitted maxima of the SdH-oscillations are visible and the positions corresponded to the -N Landau index, are plotted what gives intercept ”0”. In the insert, the proposed energy band structure with TPSS is shown.

 

Proposed conception of the electron transport in the semimetal bulk Hg1-xCdxTe: the 2D-TPSS on parallel top and bottom surfaces (as well as on the side walls) form the metallic Berry phase (red colour) surround the bulk semimetal part (grey colour). As a result, metallic conductance on surfaces dominates the conductance of the entire sample.

 

The SdH oscillations and the IQHE for 4.2 K for 100 nm wide Hg0.865Cd0.135Te and b) the LL’s fan calculated for two Dirac cones for two interfaces; c) and d) represent the LL’s under the magnetic field region between 5 and 8T and 8 and 14 T respectively.

 

The experimental results on magneto-transport (QHC and SdH) obtained for the strained 100 nm thickness

Hg1−x CdxTe layer are interpreted on the  basis of the 8x8 kp model and an advantage of the Hg1−xCdxTe as topological insulators is shown spectacularly: in comparison with pure HgTe the energy dispersion of semi-metallic HgCdTe is closer to linearity in the wider range of the momentum [48] what lead to an increase in the attractiveness of the Topological Insulator based on semimetal HgCdTe alloy for future applications.

 

 

 

Polski