介观导体回路高频量子输运研究

Investigion of the quantum transport along the mesoscopic conductor circuit at ultra-low temperature and in strong magnetic field is focusing on the Coulomb interaction of the electrons in the quantum dots and quantum channel, the dwell time of electrons confined inside quantum dots and the charge relaxation process, accompaning with some new quantum parameters such as quantum capacitor, charge relaxation resistance and so on. In this project, we carry out the intensive investigation of GHz high frequency quantum transport at ultra-low temperature and in strong magnetic field. Firstly, we build up a homedyne detection to increase the measuremental frequency furthermore. At higher frequency, the phase developing along the edge channel must be considered when analyzing electrochemical capacitance in admittance. A distributed element model is essential for understanding the AC response in low-dimensinal structures, which is analogous to that in high-frequency electrical circuits. In this case, we investigate high-frequency admittance up to 3 GHz for the mesoscopic conductor circuits, and carry out experimental investigation of the unusual behavior of the time-dependent tranport progress with different experimental parameters such as the magnetic field, off-set voltage and bias voltage. Finally, we study the anomalous conductance plateau around G = 0.7(2e2/h) at high frequency by studying the real and imaginary parts of the admittance for the samples.

在极低温、强磁场条件下对新型介观导体回路动态量子输运研究是探究电子在量子点、量子通道中相互作用以及电子弹性碰撞的弛豫过程，伴随着量子电容、电荷弛豫电阻等新的量子参量，将引起新的物理效应，并可能在量子计量、量子通讯和量子计算等领域产生重要影响。在本项目中，我们对千兆赫兹高频和极低温、强磁场条件下介观导体回路中的动态量子输运进行深入研究。首先，设计搭建零差检波测量系统，进一步提高测量频率（1-4GHz）,降低本底噪声。其次，在更高频率下（>3GHz），电子之间的库伦相互作用会引起量子通道的静电重组，通道中各处电流及电荷密度将不再一致，理论建立分布式电化学电容模型来描述器件行为，并实验探究器件在高频电压、外加磁场、侧移电压以及源漏偏置电压作用下的奇异行为。最后，实验测量器件导纳实、虚部特性，探索分数阶量子化电导“0.7结构”的物理本源。

我们搭建对介观器件的高频导纳进行测量的系统。低温系统能保证器件具有极低的热噪声以及足够的电子相位相干长度。该系统能有效抑制热噪声，并对来自器件的等效纳伏量级的信号进行放大。矢量网络分析仪可以测量信号的实数部分和虚数部分。整个测量系统一由一台计算机控制，并能够实现自动化的测量。在进行测量的同时，由于射频电路中不可避免地会存在寄生电容，因此我们还探究了从测量的信号中扣除寄生电容、对测量结果进行校准的方法，保证了测量结果准确可靠。. 利用上述搭建的测量系统，我们测量了由量子点接触作为电阻、量子点和金属极板作为电容的介观R-C电路的复导纳。实验测试了强电子相互作用下的情形，结果表明，即使存在强电子相互作用，介观R-C电路的弛豫电阻依然是h/2e2，但电路的量子电容却会因此而减小。. 我们测量了基于量子点接触的介观R-L电路的复导纳，发现了强磁场下导纳的相位不再保持为常数，表明电子的渡越时间将随量子点接触的传输系数改变而改变。引起这一结果的原因是电路的边缘通道中积累的电荷之间的库仑相互作用改变了通道的态密度，从而改变了电子的等效速度。在弱磁场下，这一效应不明显，但强磁场下，边缘通道之间积累的电荷的库仑作用的影响将不能忽略。除此之外，我们还分析了不同的库仑作用的效果，发现不同的库仑作用对介观R-L电路的导纳的影响各不相同，并且，他们各自有着不同的随磁场大小变化的规律。. 我们在测量过程中发现了杂质的存在对介观R-L电路导纳相位的影响。杂质的存在会引起相位的改变，在Nyquist图中表现为一个突然的跳变。而在导纳随门电压变化的图中，杂质的影响则表现为一个共振峰。相位的跳变与器件边缘通道中的电子的态密度密切相关，态密度的改变也表明了电子的渡越时间因为杂质的存在而不再是常数。我们还进一步观察了共振峰随磁场的门电压偏压的变化，发现在正偏压和负偏压下共振峰随着偏压的变化并不对称。最后，我们还进一步通过数值计算证实了实验中观察到的现象的原因是由于通道中电子能级与杂质能级发生了共振而引起的。