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THz-Spektroskopie an zweidimensionalen Elektronengasen in Corbino-Geometrien

Notthoff, Christian LSF

In dieser Arbeit wird die THz-induzierte Photo-Antwort eines zweidimensionalen elektronengases (2DEG) im Quanten-Hall-Regime untersucht. Dazu wird eine zweifach zusammenhängende Probengeometrie verwendet, die topologisch äquivalent zu einer ringförmigen Geometrie ist (Corbino-Geometrie). Diese Geometrie wird im Folgenden als Mäander-Corbino-Geometrie bezeichnet. Unter Quanten-Hall-Bedingungen wird der elektronische Transport, wie auch in einer Hall-bar-Probe, stark von den Randkanälen beeinflusst. Aufgrund der Ausbildung der Randkanäle entlang des Randes und einem semiisolierenden Volumenbereichs zwischen den Randkanälen ist es möglich, die inneren und äußeren Randkanäle getrennt von einander zu kontaktieren und die Photo-Antwort des semiisolierenden Volumenbereichs zu messen. Für Füllfaktoren ν < 2 wird in spektral aufgelösten Messungen eine Lorentz-förmige Resonanz bei der Zyklotronfrequenz beobachtet. Weiterhin zeigt die Analyse der Stromabhängigkeit der Photo-Antwort, dass sich das beobachtete Photosignal im Rahmen eines in der Literatur etablierten bolometrischen Modells beschreiben lässt. Die Situation ändert sich für Füllfaktoren oberhalb des ganzzahligen Füllfaktors (ν = 2). Hier eigen spektral aufgelöste Messungen eine asymmetrische Verbreiterung der Resonanz. Bei niedrigen Temperaturen (T = 300 mK) lassen sich zwei unabhängige Beiträge im Photosignal identifizieren. Ein Beitrag lässt sich dabei eindeutig auf das Heizen des Elektronengases durch die Zyklotronabsorption zurückführen (bolometrischer Beitrag), und der zweite Beitrag wird durch einen nicht-bolometrischen Mechanismus hervorgerufen. Die beobachtete Abhängigkeit der Amplitude der Photo-Antwort vom aufgeprägten Strom bei Füllfaktoren ν > 2 weist ebenfalls auf das Auftreten eines nicht-bolometrischen Beitrages zur Photo-Antwort hin. Außerdem werden Untersuchungen an einer so genannten Quasi-Corbino-Probe vorgestellt, die es erlaubt, zwei Randkanäle an einem Probenrand separat zu kontaktieren. Diese Quasi-Corbino-Probe ermöglicht es, die Photo-Antwort eines einzelnen inkompressiblen Streifens zwischen zwei Randkanälen (ohne den Einfluss des Volumens) zu untersuchen. Hier zeigen die Messungen, dass die Photo-Antwort aus der Erzeugung eines Photostroms innerhalb des inkompressiblen Randstreifens resultiert. Dementsprechend lässt sich der nicht-bolometrische Beitrag zur Photo-Antwort der Mäander-Corbino-Proben ebenfalls auf die Generation eines Photostroms innerhalb der inkompressiblen Streifen am Rand zurückführen. Darüber hinaus zeigt eine genauere Analyse der spektral aufgelösten Messungen an Mäander-Corbino-Proben einen dritten Beitrag zur Photo-Antwort. Dieser dritte Beitrag lässt sich dabei als eine neuartige Magnetoplasmon-Anregung am Probenrand interpretieren. Zum Abschluss dieser Arbeit wird die Anwendungsmöglichkeit der Mäander-Corbino-Proben als frequenzselektive, durchstimmbare und hochsensible THz-Detektoren vorgestellt.

In this thesis, the THz-photoresponse between two separately connected edge-channels of a two-dimensional electron gas in the quantum Hall regime is investigated. We use a not-simply-connected sample geometry which is topologically equivalent to a ring shape (Corbino-geometry), in the following called meander-Corbino-geometry. Under quantizing magnetic fields, electronic transport is strongly influenced by the edge channels, as in Hall-bar samples, however with two disjoint boundaries. This allows us to electrically connect the edge-states of each boundary separately and measure the photoresponse across the insulating bulk between the edges. At filling factors ν < 2, spectrally resolved photoresponse measurements show a Lorentzian resonance, centered at the cyclotron-frequency. Furthermore, we find that the source-drain-current dependence of the photoresponse amplitude at filling factors ν < 2 is in a good agreement with a bolometric model, which is well established in literature. The situation changes above the integer filling factor. Spectrally resolved photoresponse measurements show an asymmetric broadening of the resonance. At low temperatures (T = 300 mK), two independent contributions to the photoresponse signal can be resolved. One contribution clearly results from bolometric heating inside the bulk and the other one is caused by a non-bolometric mechanism. The source-draincurrent dependence of the photoresponse amplitude at filling factors ν > 2 also indicates the occurrence of a non-bolometric contribution to the photoresponse. Additionally, we investigate the photoresponse of a so-called quasi-Corbino-sample, which allows us to separately contact to edge channels at the same boundary. This quasi-Corbino-sample enables us to study the photoresponse of a single incompressible strip between the edge channels, without any bulk effects. The experimental results show that the photoresponse of such a quasi-Corbino-sample is caused by a photocurrent, generated inside the incompressible strip. These measurements suggest that the non-bolometric contribution mentioned above is also caused by a photocurrent generated inside the incompressible strips at the sample edges. Furthermore, a closer examination of the spectrally resolved photoresponse measurements on meander-Corbino-samples reveal a third contribution to the photoresponse which can be interpreted as a new kind of a magnetoplasmon excitation on the sample edge. Finally, we demonstrate the use of the meander-Corbino-samples as frequency-selective, tunable and highly sensitive THz-detectors.

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Notthoff, Christian: THz-Spektroskopie an zweidimensionalen Elektronengasen in Corbino-Geometrien. 2009.

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