山口真澄 野村晋太郎＊ 田村浩之 赤﨑達志
量子電子物性研究部 ＊筑波大学
低温での2次元電子系の発光スペクトルには試料のポテンシャル揺らぎが反映される。GaAs量子井戸の電子密度を制御して発光分光を行うことにより、2次元電子の金属絶縁体転移近傍のランダムポテンシャルの遮蔽に伴う変化を見出した[1]。本研究では、試料の表面と裏面にゲートを設けたGaAs量子井戸を用いて電子密度と電界を独立に制御し、電子密度の増加に伴う電子の空間的広がりを反映する不均一発光線幅の減少効果を観測した。
量子閉じ込めシュタルク効果により、同じ電子密度の発光スペクトルであっても電界の大きさに依存して発光エネルギーは大きく異なる（図1）。一方で、このエネルギーシフト量は井戸幅に依存し、量子井戸幅の一原子層の揺らぎのために発光スペクトルの不均一線幅は電界によって増大する。約4×1010 cm-2の電子密度を境にして、それより低い電子密度では、位置による井戸幅の違いを反映した不均一線幅は電界とともに増大する。これは、量子井戸中の電子はリモート電荷が作るランダムポテンシャルの影響により空間的に不均一に存在しており、量子井戸からの発光スペクトルはそれぞれの位置での発光スペクトルの積分となるためである。一方、電子密度がより大きく井戸幅揺らぎの空間スケールを超えて電子が広がった場合には、電子の感じるポテンシャルは空間的に平均化されるため電界に依存した不均一線幅は消失する。
図2に示した発光線幅の電界に対する傾きは、電子密度の増加に伴って減少し6×1010 cm-2以上では無くなっている。これは、2次元電子系がポテンシャル揺らぎと量子井戸幅揺らぎの長さスケールを超えて空間的に広がったことに対応している。
本研究は科研費の援助を受けて行われた。
[1] M. Yamaguchi et al., Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 207401.
[2] M. Yamaguchi et al., Physics Procedia 3 (2010) 1183.
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