Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Triple-top-gate technique for studying the strongly interacting 2D electron systems in heterostructures

Published 28 May 2024 in cond-mat.mes-hall and cond-mat.str-el | (2405.18229v2)

Abstract: We have developed a technique that dramatically reduces the contact resistances and depletes a shunting channel between the contacts outside the Hall bar in ultra-high mobility SiGe/Si/SiGe heterostructures. It involves the creation of three overlapping independent gates deposited on top of the structure and allows transport measurements to be performed at millikelvin temperatures in the strongly interacting limit at low electron densities, where the energy of the electron-electron interactions dominates all other energy scales. This design allows one to observe the two-threshold voltage-current characteristics that are a signature for the collective depinning and sliding of the electron solid.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (32)
  1. S. F. Nelson, K. Ismail, J. J. Nocera, F. F. Fang, E. E. Mendez, J. O. Chu,  and B. S. Meyerson, “Observation of the fractional quantum Hall effect in Si/SiGe heterostructures,” Appl. Phys. Lett. 61, 64–66 (1992).
  2. K. Lai, W. Pan, D. C. Tsui,  and Y.-H. Xie, “Fractional quantum Hall effect at ν=23𝜈23\nu=\frac{2}{3}italic_ν = divide start_ARG 2 end_ARG start_ARG 3 end_ARG and 4343\frac{4}{3}divide start_ARG 4 end_ARG start_ARG 3 end_ARG in strained Si quantum wells,” Phys. Rev. B 69, 125337 (2004a).
  3. K. Lai, W. Pan, D. C. Tsui, S. Lyon, M. Mühlberger,  and F. Schäffler, “Two-flux composite fermion series of the fractional quantum Hall states in strained Si,” Phys. Rev. Lett. 93, 156805 (2004b).
  4. V. T. Dolgopolov, M. Y. Melnikov, A. A. Shashkin, S.-H. Huang, C. W. Liu,  and S. V. Kravchenko, “Valley effects on the fractions in an ultrahigh mobility SiGe/Si/SiGe two-dimensional electron system,” Phys. Rev. B 103, L161302 (2021).
  5. P. T. Coleridge, R. L. Williams, Y. Feng,  and P. Zawadzki, “Metal-insulator transition at B=0𝐵0B=0italic_B = 0 in p𝑝pitalic_p-type SiGe,” Phys. Rev. B 56, R12764–R12767 (1997).
  6. J. Lam, M. D’Iorio, D. Brown,  and H. Lafontaine, “Scaling and the metal-insulator transition in Si/SiGe quantum wells,” Phys. Rev. B 56, R12741–R12743 (1997).
  7. M. Y. Melnikov, A. A. Shashkin, V. T. Dolgopolov, A. Y. X. Zhu, S. V. Kravchenko, S.-H. Huang,  and C. W. Liu, “Quantum phase transition in ultrahigh mobility SiGe/Si/SiGe two-dimensional electron system,” Phys. Rev. B 99, 081106(R) (2019).
  8. M. Y. Melnikov, A. A. Shashkin, V. T. Dolgopolov, S.-H. Huang, C. W. Liu,  and S. V. Kravchenko, “Indication of band flattening at the Fermi level in a strongly correlated electron system,” Sci. Rep. 7, 14539 (2017a).
  9. V. T. Dolgopolov, M. Y. Melnikov, A. A. Shashkin,  and S. V. Kravchenko, “Band flattening and landau level merging in strongly-correlated two-dimensional electron systems,” JETP Lett. 116, 156–166 (2022).
  10. M. Y. Melnikov, A. A. Shashkin, V. T. Dolgopolov, S.-H. Huang, C. W. Liu, A. Y. X. Zhu,  and S. V. Kravchenko, “Metallic state in a strongly interacting spinless two-valley electron system in two dimensions,” Phys. Rev. B 101, 045302 (2020).
  11. M. Y. Melnikov, A. A. Shakirov, A. A. Shashkin, S. H. Huang, C. W. Liu,  and S. V. Kravchenko, “Spin independence of the strongly enhanced effective mass in ultra-clean SiGe/Si/SiGe two-dimensional electron system,” Sci. Rep. 13, 17364 (2023).
  12. A. A. Shashkin, M. Y. Melnikov, V. T. Dolgopolov, M. M. Radonjić, V. Dobrosavljević, S.-H. Huang, C. W. Liu, A. Y. X. Zhu,  and S. V. Kravchenko, “Manifestation of strong correlations in transport in ultraclean SiGe/Si/SiGe quantum wells,” Phys. Rev. B 102, 081119(R) (2020).
  13. A. A. Shashkin and S. V. Kravchenko, “Metal-insulator transition and low-density phases in a strongly-interacting two-dimensional electron system,” Ann. Phys. 435, 168542 (2021).
  14. A. A. Shashkin, M. Y. Melnikov, V. T. Dolgopolov, M. M. Radonjić, V. Dobrosavljević, S.-H. Huang, C. W. Liu, A. Y. X. Zhu,  and S. V. Kravchenko, “Spin effect on the low-temperature resistivity maximum in a strongly interacting 2D electron system,” Sci. Rep. 12, 5080 (2022).
  15. M. Y. Melnikov, A. A. Shashkin, S.-H. Huang, C. W. Liu,  and S. V. Kravchenko, “Collective depinning and sliding of a quantum Wigner solid in a two-dimensional electron system,” Phys. Rev. B 109, L041114 (2024).
  16. G. H. Kruithof, T. M. Klapwijk,  and S. Bakker, “Temperature and interface-roughness dependence of the electron mobility in high-mobility Si(100) inversion layers below 4.2 K,” Phys. Rev. B 43, 6642–6649 (1991).
  17. S. L. Wang, P. C. van Son, B. J. van Wees,  and T. M. Klapwijk, “Quantum conductance of point contacts in Si inversion layers,” Phys. Rev. B 46, 12873–12876 (1992).
  18. R. Heemskerk and T. M. Klapwijk, “Nonlinear resistivity at the metal-insulator transition in a two-dimensional electron gas,” Phys. Rev. B 58, R1754–R1757 (1998).
  19. S. J. Angus, A. J. Ferguson, A. S. Dzurak,  and R. G. Clark, “Gate-defined quantum dots in intrinsic silicon,” Nano Lett. 7, 2051–2055 (2007).
  20. W. H. Lim, F. A. Zwanenburg, H. Huebl, M. Möttn̈en, K. W. Chan, A. Morello,  and A. S. Dzurak, “Observation of the single-electron regime in a highly tunable silicon quantum dot,” Appl. Phys. Lett. 95, 242102 (2009).
  21. L. H. Willems van Beveren, K. Y. Tan, N. S. Lai, A. S. Dzurak,  and A. R. Hamilton, “Overlapping-gate architecture for silicon Hall bar field-effect transistors in the low electron density regime,” Appl. Phys. Lett. 97, 152102 (2010).
  22. C. Mittag, M. Karalic, Z. Lei, T. Tschirky, W. Wegscheider, T. Ihn,  and K. Ensslin, “Edgeless and purely gate-defined nanostructures in InAs quantum wells,” Appl. Phys. Lett. 113, 262103 (2018).
  23. C. Mittag, M. Karalic, Z. Lei, C. Thomas, A. Tuaz, A. T. Hatke, G. C. Gardner, M. J. Manfra, T. Ihn,  and K. Ensslin, “Gate-defined quantum point contact in an InAs two-dimensional electron gas,” Phys. Rev. B 100, 075422 (2019).
  24. S. Iwakiri, F. K. de Vries, E. Portoles, G. Zheng, T. Taniguchi, K. Watanabe, T. Ihn,  and K. Ensslin, “Gate-defined electron interferometer in bilayer graphene,” Nano Lett. 22, 6292–6297 (2022).
  25. T. M. Lu, D. C. Tsui, C.-H. Lee,  and C. W. Liu, “Observation of two-dimensional electron gas in a Si quantum well with mobility of 1.6×1061.6superscript1061.6\times 10^{6}1.6 × 10 start_POSTSUPERSCRIPT 6 end_POSTSUPERSCRIPT cm2/Vs,” Appl. Phys. Lett. 94, 182102 (2009).
  26. T. M. Lu, D. C. Tsui, C.-H. Lee,  and C. W. Liu, “Erratum: “Observation of two-dimensional electron gas in a Si quantum well with mobility of 1.6×1061.6superscript1061.6\times 10^{6}1.6 × 10 start_POSTSUPERSCRIPT 6 end_POSTSUPERSCRIPT cm2/Vs”,” Appl. Phys. Lett. 97, 059904 (2010).
  27. S.-H. Huang, T.-M. Lu, S.-C. Lu, C.-H. Lee, C. W. Liu,  and D. C. Tsui, “Mobility enhancement of strained Si by optimized SiGe/Si/SiGe structures,” Appl. Phys. Lett. 101, 42111 (2012).
  28. F. Schäffler, “High-mobility Si and Ge structures,” Semicond. Sci. Technol. 12, 1515 (1997).
  29. M. Y. Melnikov, A. A. Shashkin, V. T. Dolgopolov, S.-H. Huang, C. W. Liu,  and S. V. Kravchenko, “Ultra-high mobility two-dimensional electron gas in a SiGe/Si/SiGe quantum well,” Appl. Phys. Lett. 106, 092102 (2015).
  30. M. Y. Melnikov, V. T. Dolgopolov, A. A. Shashkin, S.-H. Huang, C. W. Liu,  and S. V. Kravchenko, “Unusual anisotropy of inplane field magnetoresistance in ultra-high mobility SiGe/Si/SiGe quantum wells,” J. Appl. Phys. 122, 224301 (2017b).
  31. P. Brussarski, S. Li, S. V. Kravchenko, A. A. Shashkin,  and M. P. Sarachik, “Transport evidence for a sliding two-dimensional quantum electron solid,” Nat. Commun. 9, 3803 (2018).
  32. G. Blatter, M. Y. Feigel’man, Y. B. Geshkenbein, A. I. Larkin,  and V. M. Vinokur, “Vortices in high-temperature superconductors,” Rev. Mod. Phys. 66, 1125–1388 (1994).
Citations (1)

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 1 like about this paper.