量子霍尔物理中的自旋现象研究

高迁移率二维电子系统在磁场中由于朗道量子化和电子间的相互作用而展现出包括整数和分数量子霍尔效应在内的众多奇异的量子现象。电子间的库仑相互作用和电子塞曼能量的相互竞争以及电子和原子核之间的自旋相互作用又使得这个体系中的自旋物理现象非常丰富。尽管此领域已有许多重要的基础研究进展和一些在量子信息研究等方面的应用，但由于极低温下的实验手段十分有限以及电子/原子核体系本身的复杂性，目前仍有很多与自旋相关的基本物理问题尚未得到解决。本项目计划对此领域中三个待解决的问题进行实验研究：（1）电压操纵原子核自旋极化的物理机制，（2）2/3分数量子霍尔态有关的量子相变及相关电子输运的微观机制,(3)理论预言的自旋织构Skyrmion的固液相变的实验证据。这些研究将以在低温(最低<15 mK)和强磁场（最高达20 T）下的电子输运为主要实验手段，结合申请人最近发现的一些全电学探测和操纵原子核自旋的新方法展开。

高迁移率二维电子系统在磁场中由于朗道量子化和电子间的相互作用而呈现出包括整数和分数量子霍尔效应在内的众多奇异的量子现象。在以砷化镓为基础的二维电子系统中，电子间的库仑相互作用和电子塞曼能量的相互竞争以及电子和原子核之间的自旋相互作用使得相关的自旋物理现象非常丰富。本项目利用极低温和强磁场实验条件、围绕这一方向几个尚未解决的基本科学问题展开研究，取得了如下主要进展：(1) 系统研究了朗道能级填充数为1/2时的电流诱导的原子核自旋退极化现象，发现实验结果可用组合费米子的加热效应及这一量子态下高效的超精细作用加以定量描述，电子温度对电流的依赖关系支持hydrodynamic模型；(2)使用填充数2/3的自旋量子相变和1/2自旋转变对核自旋极化的改变进行探测，并证明这两种方法基本上等价，并以此为基础测量了组合费米子的g因子；(3)详细研究了不同器件构型的电压操控原子核自旋极化现象，并在不同温度下结合射频电磁波测量了原子核自旋极化与朗道能级填充数之间的变化关系；(4)以上述研究为基础进一步发展了适合极低温实验的全电学原子核自旋弛豫测量技术；(5)使用全电学操控和探测原子核极化技术，系统研究了与拓扑自旋织构skyrmion相关的填充数接近1的自旋动力学，发现了原子核自旋弛豫的反常增强，并观察到核自旋弛豫的倾斜平台结构与样品无序紧密相关。这些结果揭示出最低朗道能级中电子不均匀性的重要性，我们由此获得了对该体系中低能自旋激发的新认识。(6)对一套插杆式稀释制冷机进行了技术改造，实现了低于15 mK的电子温度以及电阻探测的核磁共振；(7)对与量子霍尔物理在概念上相同的拓扑绝缘体进行了大量研究，并在场效应调控化学势、反弱局域等量子输运性质等方面取得了进展。