跨温度研究横向电子聚焦中的自旋分裂峰

摘要

我们报告了在n型GaAs二维电子气（2DEG）中进行的横向电子聚焦（TEF）实验。在适度横向磁场（B⊥）下，电子从量子线注入器被导向探测器，在B⊥中产生一系列周期性聚焦峰。值得注意的是，奇数峰分裂为两个亚峰，各反映注入器发射的不同自旋分支。温度演化显示：最低温度下分裂清晰，随热能（k_BT）接近两倍自旋能隙（2ΔE）逐渐模糊，证实低温下交换驱动的自旋极化占主导。

背景

GaAs/AlGaAs异质结2DEG中的准一维（1D）系统电子输运，长期作为研究非相互作用量子力学和多体现象的基准。此类系统电导以n·(2e²/h)（n=1,2,3…）量子化，但近年实验发现丰富的低密度相，包括初生Wigner结晶。核心开放问题仍是所谓0.7异常的起源——即接近0.7·(2e²/h)的电导平台，其温度依赖性和面内磁场演化暗示自旋相关起源。直接探测1D通道自旋极化对解决此争论至关重要。横向电子聚焦（TEF）提供灵敏、自旋分辨的探针：首个聚焦峰的自旋分裂反映注入器的交换驱动极化，已在p型GaAs和n型InSb中证实。早期工作显示空间分离的自旋极化1D电子在n-GaAs中导致首个聚焦峰清晰分裂。本研究延伸该方法，考察分裂随温度的演化，揭示自旋能隙动力学。

方法

器件基于GaAs/Al₀.₃₃Ga₀.₆₇As界面的高迁移率2DEG制备。1.5 K下电子密度1.80×10¹¹ cm⁻²，迁移率2.17×10⁶ cm² V⁻¹ s⁻¹，平均自由程超10 µm，远大于器件尺寸。在无液氦稀释制冷机中测量，基底晶格温度20 mK（电子温度≈70 mK）。用标准锁相技术采集20 mK至1.8 K的温度依赖数据。

结果与讨论

图1a展示实验布局和典型聚焦谱。注入器和探测器间距1.5 µm，各由500 nm宽、800 nm长量子线定义。独立栅极控制抑制串扰，确保峰值仅源自TEF（图1b）。首个聚焦峰显著分裂为亚峰I和II；第二峰未分裂。峰周期符合半经典回旋轨道条件：B_focus = √2 ħ k_F / eL，L为注入器-探测器对角线间距。观测60 mT间距与计算值吻合，证实半经典图像。首峰分裂归因于自旋-轨道相互作用（SOI）。Rashba型SOI下，两自旋物种遵循不同回旋半径，在探测器产生两个不同到达时间（图2a）。第二峰经边界散射反转自旋向上电子动量但保持自旋，致使两自旋物种重组为单峰（图2b）。这些机制在坐标空间和k空间示意（图2c,d）。温度依赖性（图3a–c）显示：20 mK下分裂锐利，随温度升高逐渐模糊。注入器电导G_i = G₀时，两亚峰持续至~1.2 K才在1.8 K合并。G_i = 1.8 G₀时分裂较弱，亚峰I主导且随温度振幅衰减。相反，G_i = 0.5 G₀仅显示单峰，高温下变宽变对称，暗示两自旋子带热力学布居。为量化峰演化，用两洛伦兹函数和拟合各聚焦迹线：A(B) = Σ A_i γ_i² / [γ_i² + (B-B_i)²]，A_i为振幅，γ_i为半峰全宽（FWHM），B_i为峰中心。拟合宽度随温度单调增加，指示热展宽。提取的自旋极化p = |A₁−A₂|/(A₁+A₂)在G_i=G₀时对温度弱依赖（≈0.6%），但在G_i=1.8 G₀时指数衰减：p = α e^{-k_BT/ΔE} + c，得ΔE ≈ 0.041 meV（≈0.5 K）。这与理论预测分裂持续至k_BT ≈ 2ΔE（~1 K）一致，符合我们观测到的~1.2 K峰合并。

结论

我们证实n-GaAs中首个横向电子聚焦峰的自旋分辨分裂从20 mK稳健持续至~1.2 K。以上温度分裂模糊，峰日趋对称，指示两自旋分支热平衡。这些发现直接证明注入器中的交换驱动自旋极化，确立TEF作为低维系统自旋物理的有力温度依赖探针。

资助：英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）资助。