库伦相互作用下的高度无序的二维电子气的电子特性研究

The metal-insulator transition (MIT) in 2D electron systems (2DES) remains one of the most fundamental open problems in condensed matter physics. Indeed, while microscopic theories describing the MIT remain controversial, considerable experimental evidence has become available in favor of such a transition. A study of the conductance and its noise in strongly disordered 2DES in Si with long range Coulomb interactions at low temperatures reveal an abrupt change in the nature of the glassy phase at MIT, such as slow relaxations and aging effects. The following key questions thus arise: (1) What is the nature of the MIT in a high-disorder 2DES with interactions? More precisely, is it dominated by disorder, or is it driven by interactions? (2) What is the effect of the range of electron-electron interactions on the MIT in a high-disorder 2DES? (3) How does the interaction range affect the glassy aspects? The study of the temperature and density dependence of conductivity of a highly disordered, two-dimensional (2D) electron system in Si demonstrates scaling behavior consistent with the existence of MIT, while the Coulomb interaction is screened by the metallic gate and when it is unscreened or long range. We will use a variety of protocols to probe charge dynamics such as conductance noise and the relaxations and we propose to investigate the similarities to spin glasses such as aging effects and the memory. The results will impose strong constraints on the theories for the 2D MIT, and should be helpful in understanding the complex behavior near the MIT in a variety of strongly correlated materials.

在凝聚态物理中，二维系统的金属绝缘体转变（MIT）是最基本的开放问题之一。虽然对MIT的微观理论描述还存在广泛的争议，但是大量的实验为MIT的存在提供了有力的依据。对于高度无序的硅的二维电子气（2DES），通过其长程库伦作用下的电导率的特性分析，在该系统中发现了MIT的存在，并且在转变区域附近，观测到一些玻璃态特性，如弛豫和老化。由此产生以下的关键问题：（1）高度无序2DES中MIT的本质是什么？是由无序为主导还是由库伦相互作用引起的？（2）库伦相互作用的范围对MIT有什么影响？（3）库伦相互作用的范围是否对玻璃态性质有影响？本项目拟研究不同库仑相互作用下的高度无序的2DES的电导率，噪声特性和弛豫行为，旨在确立MIT的普适类和通过玻璃态特性的研究来理解各种强关联体系在金属绝缘体转变附近的复杂行为。

在凝聚态物理中，二维电子气（2DES）的金属绝缘体转变（MIT）是最基本的开放问题之一。本研究工作围绕库伦相互作用对金属绝缘体转变的影响展开，分别测量电导的时间平均值及电导涨落；通过调控栅极电压Vg，探索高度无序的2DES的电导对Vg的记忆行为，研究了高度无序的2DES在磁场下的输运特性；测量磁场及不同栅极电压扫描速率下的电导特性，并得到以下结论：.①在厚氧化层器件及薄氧化层器件中，都观测到金属-绝缘体量子相变。对相变关键参数的分析表明，库仑相互作用的范围不影响金属-绝缘体量子相变，表明高度无序的2DES中的金属-绝缘体量子相变有无序度主导。.②电导涨落测量结果表明，随着载流子浓度的减小，电导涨落的幅度都急剧增大；其一阶归一化功率谱都符合经验规律, 当载流子浓度小于玻璃态转变浓度时，电子动力学突然显著减慢，为2DES的玻璃状冻结提供了证据。而二阶谱S2显示厚氧化层器件及薄氧化层器件都是强非高斯的。电导函数的涨落性质的突然变化表明观察到的玻璃性归因于无序本身的时间依赖性变化所致。.③虽然没有明显观测到库伦相互作用下高度无序的2DES的电导对Vg的记忆行为，但是，氧化层器件在0.25K电导率与磁场的曲线有明显的迟滞行为，并且，在强磁场下，噪声被平行的磁场完全抑制，显示出白噪声的特性，表明在库伦屏蔽作用下，平行的磁场破坏了高度无序的2DES的强关联性。薄氧化层器件不同载流子溶度ns扫描速率下的电导率 表明热弛豫主要由2DES和体硅之间的电子-声子耦合控制。另一方面，在长程情况下，尽管电子-声子耦合增加，但玻璃态动力学在T>4K下持续存在..在低电导率区域，在长程库仑相互作用下，2DES输运机制主要是玻璃态行为，然而，在库仑屏蔽作用下，2DES表现出反常的热弛豫，与多体局域化(MBL)的预热及热弛豫过程类似。 结果表明，可以通过调节库伦相互作用范围来趋近二维电子系统中的MBL相，从而为实验中在真实材料体系进一步研究热化击穿和MBL相奠定了基础。