Measurements and Modeling of the Dynamics of Optically and Electrically Induced Dissipation in Quantum Hall Systems
The subjects of this work are the experimental investigations of optically and electrically induced dissipation in two-dimensional electron systems under Quantum Hall (QH) conditions and the numerical investigations of the dynamic conductivity and the equilibrium properties of the electron system subjected to a terahertz (THz) radiation. The experiments are interesting due to the possibility to investigate the single pulse shape of the electron system response in the real-time domain. The numerical investigations could give a picture of the physics behind the THz interaction with the electron system. The electrically induced dissipation is realized by applying supercritical electrical rectangular pulses to the QH systems with Corbino geometry. The optically induced dissipation is realized by applying subcritical electrical rectangular pulses to the QH systems and at the same time subjecting the sample to a THz radiation. The sample response is measured by a serial resistor and displayed on an digital oscilloscope. As a THz source, a p-Ge laser system was used. It emits radiation of frequency of 2THz corresponding to photon energies of 10meV. The measurements were performed on GaAs/AlGaAs heterostructures at low temperatures T<4K and high magnetic fields B<6T. We investigated the excitation and relaxation times as functions of the source-drain voltage, electron mobility, magnetic field and temperature. These dependences were explained on the basis of quasi-classical drift, quasi-elastic-inter-Landau-level-scattering and quasi-local transport models. The photoresponse is given by the cyclotron resonance (CR) and the bolometric (BO) contributions. Especially, the BO contribution shows an interesting double-peak structure. By the numerical investigations we have found that the elevated electron temperature by THz radiation shows a double-peak structure at even filling factors at certain lattice temperatures and photon energies as observed in the experiments.
Diese Arbeit untersucht sowohl experimentell die optisch und elektrisch induzierte Dissipation in zweidimensionalen Elektronensystemen unter Quanten-Hall- (QH-) Bedingungen als auch numerisch die dynamische Leitfähigkeit und die Gleichgewichtseigenschaften von Elektronensystemen, wenn diese einer Terahertz- (THz-) Strahlung ausgesetzt werden. Die Experimente sind interessant wegen der Möglichkeit, den Zeitverlauf von einzelnen Impulsen zu messen. Die numerischen Untersuchungen konnten ein Bild der physikalischen Prozesse, die der Wechselwirkung der Elektronensysteme mit der THz-Strahlung zugrunde liegen, liefern. Die elektrisch induzierte Dissipation wurde ausgelöst durch die Anwendung überkritischer Rechteckimpulse auf QH-Systeme mit Corbino-Geometrie. Die optisch induzierte Dissipation dagegen wurde ausgelöst durch die gleichzeitige Anwendung unterkritischer elektrischer Rechteckimpulse und einer THz-Strahlung auf die QH-Systeme. Das Antwortsignal der Probe wird über einen seriellen Widerstand gemessen und auf einem Digital-Oszilloskop dargestellt. Als THz-Quelle wurde ein p-Ge-Laser verwendet. Dieser Laser emittiert eine Strahlung mit Frequenzen um 2 THz (entsprechend einer Photonenenergie von etwa 10meV). Die Messungen wurden an GaAs/GaAlAs-Heterostrukturen bei tiefen Temperaturen von T<4K und bei hohen Magnetfeldern von B<6T durchgeführt. Wir untersuchten die Anregungs- und Abklingzeiten als Funktion der Source-Drain-Spannung, der Elektronenbeweglichkeit, des magnetischen Feldes und der Temperatur. Diese Abhängigkeiten wurden erklärt auf der Basis verschiedener Modelle: des quasi-klassischen Driftmodells, des Modells der quasi-elastischen Inter-Landau-Niveau-Streuung und des quasi-lokalen Transportmodells. Die Photoresponse setzt sich aus zyklotronresonanten (ZR) und bolometrischen (BO) Anteilen zusammen. Der BO-Anteil zeigt eine interessante Doppel-Maximum-Struktur. Durch die numerischen Untersuchungen fanden wir eine Doppel-Maximum-Struktur für die Elektronentemperatur bei bestimmten Gittertemperaturen und Photonenenergien, die infolge der THz-Strahlung erhöht ist. Dieses Ergebnis steht in Übereinstimmung mit unseren experimentellen Befunden.
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