Ines Meinel, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000 :
Kurzfassung
In dieser Arbeit werden Magnetisierungsmessungen an
zweidimensionalen Elektronensystemen mit durchstimmbarer
Ladungsträgerdichte in GaAs/AlGaAs Heterostrukturen
vorgestellt. Mittels eines hochempfindlichen supraleitenden
Magnetometers sind wir in der Lage, die
de Haas - van Alphen-Oszillationen eines einlagigen
zweidimensionalen Elektronensystems als Funktion des Magnetfeldes,
der Ladungsträgerdichte und der Temperatur
aufzulösen. Das Hauptinteresse gilt der Rolle von
Vielteilchenwechselwirkungen. Zum Vergleich werden an den gleichen
Proben Magnetotransport- und Magnetokapazitätsuntersuchungen
durchgeführt.
Im Bereich des ganzzahligen Quanten-Hall-Effekts untersuchen wir
zunächst den Einfluss von Beweglichkeit und Homogenität
der Proben auf die Stärke und die Form des
Magnetisierungssignals. Diese Diskussion ist direkt mit der Frage
der Verteilung des Magnetotransport-Stromes in einem
Quanten-Hall-Device verknüpft. Anschließend werten wir
die absoluten Signalstärken der
de Haas - van Alphen-Oszillationsamplitude aus.
Beträchtliche Vergrößerungen gegenüber dem
Einteilchenbild und gegenüber Hartree-Fock-Näherungen bei
ungeraden und geraden Füllfaktoren deuten darauf hin, dass
Elektron-Elektron-Wechselwirkungen, sowohl Austausch als auch
Korrelation, die magnetischen Eigenschaften bestimmen.
Im Bereich des fraktionellen Quanten-Hall-Effektes werden
Strukturen in der Magnetisierung herrührend von
Elektron-Elektron-Korrelationseffekten aufgelöst und stimmen
gut mit theoretischen Vorhersagen für die Energielücken
überein.
Der Temperaturverlauf der Magnetisierung bei exakt Füllfaktor
eins deutet darauf hin, dass skyrmionische Anregungen das
Anregungsspektrum des Quanten-Hall-Ferromagneten bestimmen
und einen beträchtlichen Einfluss nicht nur auf den Spin- ,
sondern auch auf den orbitalen Magnetismus haben.
Abschließend werden die ersten Ergebnisse zur Magnetisierung
von gatespannungs-induzierten Quantendrähten und
-punkten im Hinblick auf die Möglichkeit, supraleitende
Magnetometrie auf ein- und nulldimensionale Nanostrukturen
auszudehnen, diskutiert.
This thesis presents magnetization measurements on two-dimensional electron systems with tunable carrier density based on GaAs/AlGaAs heterostructures. Using a high-sensitive superconducting magnetometer, we are able to resolve the de Haas-van Alphen oscillations of a single-layered two-dimensional electron system in the integer and fractional quantum Hall effect as a function of magnetic field, carrier density and temperature. The main attention is paid to the role of many-particle interactions. For comparison, magnetotransport and magnetocapacitance studies are performed on the same samples. In the integer quantum Hall regime, we first investigate the influence of sample mobility and homogeneity on the peak strength and the shape of the magnetization signal. This discussion is directly related to the discussion on the distribution of the magnetotransport current in a quantum Hall device. Secondly, we evaluate the absolute signal strength of the de Haas - van Alphen oscillation amplitude. Considerable enhancements with respect to the single-particle picture and to Hartree-Fock approximations at odd and even integer filling factors indicate that electron-electron interactions, both exchange and correlation, dominate the magnetic properties. In the fractional quantum Hall regime, features in the magnetization originating from electron-electron correlation effects are resolved. The signal strength is in good agreement with values evaluated on the basis of theoretically predicted energy gaps. The temperature scaling of the magnetization at exact filling factor one, suggests that skyrmionic excitations dominate the excitation spectrum of the quantum Hall ferromagnet and have a considerable impact not only on the spin but also on the orbital magnetization. Finally, first results on the magnetization of gate-voltage induced quantum wires and dots are presented and discussed with regard to the possibility of extending the superconducting magnetometry to one- and zero-dimensional nanostructures.