Ultraclean two-dimensional hole systems with mobilities exceeding 107cm2/Vs

凝聚态物理 物理 自旋电子学 材料科学 联轴节(管道) 自旋(空气动力学) 铁磁性 热力学 冶金
作者
Adbhut Gupta,Chengyu Wang,Sankalp Kumar Singh,K. W. Baldwin,R. Winkler,M. Shayegan,L. N. Pfeiffer
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:8 (1) 被引量:4
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.8.014004
摘要

Owing to their large effective mass, strong and tunable spin-orbit coupling, and complex band structure, two-dimensional hole systems (2DHSs) in GaAs quantum wells provide rich platforms to probe exotic many-body physics, while also offering potential applications in ballistic and spintronics devices, and fault-tolerant topological quantum computing. We present here a systematic study of molecular-beam-epitaxy grown, modulation-doped, GaAs (001) 2DHSs where we explore the limits of low-temperature 2DHS mobility by optimizing two parameters, the GaAs quantum well width, and the alloy fraction ($x$) of the flanking ${\mathrm{Al}}_{x}{\mathrm{Ga}}_{1\ensuremath{-}x}\mathrm{As}$ barriers. We obtain a breakthrough in 2DHS mobility, with a peak value $\ensuremath{\simeq}18\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{6}\phantom{\rule{4pt}{0ex}}{\mathrm{cm}}^{2}/\mathrm{Vs}$ at a density of $3.8\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{10}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}/{\mathrm{cm}}^{2}$, implying a mean free path of $\ensuremath{\simeq}57\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\textmu{}\mathrm{m}$. Using transport calculations tailored to our structures, we analyze the operating scattering mechanisms to explain the nonmonotonic evolution of mobility with density. We find it imperative to include the dependence of effective mass on 2DHS density, well width, and $x$. We observe concomitant improvement in quality as evinced by the appearance of delicate fractional quantum Hall states at very low density.
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