Передача информации из объема Холлловского изолятора с помощью магнетофермионного конденсата
Creators: name: Кулик, Л.В.
name: Журавлев, А.С.
Publisher: name: Институт физики твердого тела РАН
Year: 2019

description: Передача информации из объема Холлловского изолятора с помощьюмагнетофермионного конденсатаЛ. В. Кулик, А. С. ЖуравлевИФТТ РАН, 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика Осипьяна, д.2Имплементация новых степеней свободы носителей заряда в твердых телахоткрывает совершенно неожиданные перспективы для развития технологическихприложений. В последнее время активно развивается новая научная область спинтроники магноника, связанная с использованием для передачи информации спиновых волн.Большой интерес вызывает возможность создания и применения для бездиссипативноготранспорта неравновесных магнонных конденсатов, которые, потенциально, могутпривести к замене сверхпроводников на изоляторы. Возникают идеи использования дляпередачи сигналов совсем экзотических коллективных спиновых возбуждений:топологических спиновых текстур  скирмионов. Появились эксперименты поманипулированию отдельными скирмионами, по измерению их массы и скорости.Особенно серьезно вопрос манипулирования коллективными спиновыми возбуждениямистоит в контексте построения топологического квантового компьютера с использованиеманионов в дробных состояниях квантового эффекта Холла, таких как 5/2, 12/5 и других.Это связано с тем, что практически любая информация о дробных состояниях, доступнаядля внешнего наблюдателя приходит из измерения проводимости одномерных краевыхканалов, так как сам объем двумерной системы является холловским изолятором.Несмотря на то, что в теории двумерных систем существует прямая связь между физикойкраевых и объемных состояний, недавние эксперименты по обнаружению дробныхсостояний 3/2 и 15/8 в высокоподвижных AlGaAs/GaAs гетероструктурах ставят подсомнение эту связь 1. В вышеуказанных экспериментах было выполнено изменениепрофиля краевых состояний, которое повлекло за собой возникновение в Холловскомсопротивлении новых плато при 3/2 и 15/8 квантах сопротивления. При этом никакихманипуляций с самой двумерной системой произведено не было. Это, в свою очередь,означает, что соответствие между краевыми и объемными состояниями двумернойсистемы не столь тривиально. Необходимо развивать новые каналы связи из объемахолловского изолятора, в которой планируется проводить топологические квантовыевычисления. Естественным кандидатом на роль переносчика информации из двумерногоизолятора выступают долгоживущие спиновые возбуждения.Авторами работы развиваются оптические методы манипулирования спиновымивозбуждениями в холловских изоляторах. Показано, что в изоляторе с целочисленнымфактором заполнения 2 спиновые возбуждения могут переносить сигнал из одной областиисследуемого образца в пространственно удаленные области, отделенные от первойобласти на макроскопические расстояния порядка размера самого образца 2.Распределение спиновых возбуждений по образцу показывает карту пространственныхнеоднородностей электронной концентрации, поверхностных дефектов, локальнуюамплитуду случайного потенциала в холловском изоляторе 3. Показано также, чтоаналогичные спиновые возбуждения формируются в окрестности дробного факторазаполнения 3/2, которое с момента наблюдения рассматривается как один из кандидатовдля квантовых вычислений 4.Предыдущие исследования свойств ансамблей неравновесных спиновыхвозбуждений были направлены на измерение их квазистатических свойств. Обнаружено,например, что при достижении некоторой критической плотности спиновые возбужденияформируют неравновесное коллективное состояние  магнетофермионный конденсат.Длина пробега спиновых возбуждений в конденсате увеличивается, по крайней мере, на41Рис.1 Верх, схема экспериментальнойустановки для измерения скоростираспространения магнетофермионногоконденсата. Низ, кинетика затуханиесигнала отражения отмагнетофермионного конденсатапосле окончания импульса накачкипри различных длительностяхнакачки. Сплошные кривые результаты подгонкиэкспериментальных зависимостейэкспоненциальными функциями.три порядка величины, а сам конденсат может растекаться на макроскопические площади.Распределение плотности спиновых возбуждений от точки формирования до краяраспространения конденсата не имеет диффузионного характера 3.К сожалению, прямой эксперимент по измерению скорости распространенияспиновых возбуждений в экспериментах по визуализации растекания спиновыхвозбуждений не возможен. Профиль распределения плотности возбуждений формируетсяв течение длительного времени (большая плотность ансамбля спиновых возбужденийобразуется не изза высокой плотности накачки, а изза сверхдлинных времен жизнипоследних). Сформировать же ансамбль спиновых возбуждений, растекающийся впространстве на макроскопические расстояния, из малой по сравнению с длинойрастекания области за один импульс накачки, без перегрева электронной системы, непредставляется возможным (низкая температура электронной системы  важнейшийпараметр для реализации квантовых алгоритмов в дробных состояниях КЭХ). Впредставленной работе мы, впервые, выполнилиэксперименты по измерению временираспространения спиновых возбуждений впространстве холловского изолятора за счетпространственного расширения области оптическойнакачки и показали, что скорость распространенияспиновых возбуждений составляет приблизительно30 м/с, что близко к скорости распространениямагнонов в магнонных конденсатах. Столь высокаяскорость распространения спиновых возбуждений вквантующих магнитных полях является совершеннонеожиданным результатом (магнитное полелокализует возбуждения в пространстве на размереларморовской орбиты, а само движение спиновоговозбуждения распадается на быструю ларморовскуюпрецессию носителей и медленный дрейф парыносителей в пространстве). Измеряемые скоростираспространения спиновых волн вмагнетофермионном конденсате делают их реальнымкандидатом на перенос сигналов в холловскихизоляторах.Литература1 H. Fu, P. Shan, P. Wang, Z. Zhu, L. N. Pfeiffer, K. W. West, and X. Lin, eprint arXiv:1702.02403v1.2 L. Kulik, A. Zhuravlev, S. Dickmann, A. Gorbunov, V. Timofeev, I. Kukushkin, and S.Schmult, Nat. Comm. 7, 13499 (2016).3 L. V. Kulik, V. A. Kuznetsov, A. S. Zhuravlev, A. V. Gorbunov, V. V. Solovyev, V. B.Timofeev, I. V. Kukushkin, and S. Schmult, Sci. Rep. 8, 10948 (2018).4 A. S. Zhuravlev, L. V. Kulik, V. A. Kuznetsov, M. A. Khitko, and I. V. Kukushkin, JETPLett. 108, 419 (2018).5 L. V. Kulik, A. V. Gorbunov, A. S. Zhuravlev, V. A. Kuznetsov, and I. V. Kukushkin, Appl.Phys. Lett. 114, 062403 (2019).