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Ferromagnétisme de hall quantique autour du facteur de remplissage égal à 1

Les interactions électron-électron a deux dimensions dominent dans de nombreux cas la physique des particules individuelles ce qui mène à de nouveaux états fondamentaux collectifs du système . La physique au voisinage du facteur de remplissage unité est particulièrement riche . Le système réagit comme un niveau Landau demi-remplis , dans lequel tous les électrons ont le même nombre quantique orbital et que le seul degré de liberté reste est celui de spin. Lorsque le facteur de remplissage est exactement égal à 1, l’état du fondamental prévu est caractérisé par un ferromagnétisme itinérant "Hall quantique" totalement polarisé. Un faible écart de niveau de remplissage dépolarise système plus rapidement que prévu par le modèle image des particules libres en raison de la formation de textures de spin (Skyrmions ou anti- Skyrmions) dans l’état fondamental. Les techniques optiques telles que la photoluminescence , l’absorption et la diffusion inélastique de la lumière ont été largement utilisée dans l’étude de ces systèmes. Étonnamment , les techniques qui donnent une mesure directe de la polarisation de spin , suggèrent que le système n’est pas complètement polarisée au facteur de remplissage unité et cela malgré la forte augmentation de l’écart de spin induit par l’interaction d’échange qui reste significatif même en l’absence de l’énergie de Zeeman d’une particule isolée. Nous avons utilisé des mesures d’absorption optique (transmission) pour sonder directement la physique subtile du niveau Landau n=0 (LL) via la polarisation de spin du système. Nous constatons que la polarisation complète se produit effectivement, mais seulement au facteur de remplissage exactement égal à 1 et à des températures très basses (40mK) (voir figure 1). Ceci suggère que l’état ferromagnétique quantique au facteur de remplissage égal à 1 est étonnamment fragile , et s’effondre rapidement dans un état fondamental d’énergie inférieure avec un grand nombre de spins inversés, soit a cause d’un petit changement de facteur de remplissage ou avec l’agitation thermique.

Figure 1 : intensité intégrée de l’absorption du niveau de Landau n=0 mesurée pour les deux polarisations circulaires en fonction du facteur de remplissage pour : (a) une densité constante d’électrons n = 1,67 x 1011 cm -2, (b) un champ magnétique constant B = 11T, (c),(d) dichroïsme optique (polarisation de spin) calculée à partir des données présentées en (a) et (b). La dépolarisation calculée pour les Skyrmions/Anti-Skyrmions de taille finie est indiqué par les traits interrompus (A =S=3) et en pointillés (A=S=15). (e)représente la polarisation de spin autour du facteur de remplissage égal à 1 mesurée à T= 40mK , 500mK et 1.6K. (f) montre la dépendance en température détaillée de la polarisation de spin au facteur de remplissage exactement égal à 1. Les pointillés montrent la dépendance de la température prédite de la polarisation pour une excitation d’onde de spin (en trait mixte), et pour deux niveaux de spin séparés par l’énergie Zeeman de la particule isolée (en pointillés).

Voir en ligne : Plochocka Phys. Rev. Lett. 102, 126806 (2009)