• Nie Znaleziono Wyników

Imaging quantum-dot-confined electron density in transition to

W dokumencie Index of /rozprawy2/11391 (Stron 28-33)

W artykule A.2. rozszerzono tematykę pracy A.1. o zewnętrzne pole magne-tyczne, przyłożone prostopadle do płaszczyzny nanostruktury. Badania dotyczyły krystalizacji wignerowskiej wywołanej polem magnetycznym z zakresu ułamkowego efektu Halla. Interesowano się możliwością odtworzenia gęstości elektronowej przy pomocy algorytmu przedstawionego w streszczeniu pracy A.1. w kontekście zmian zachodzących w stanie podstawowym wraz ze wzrastającym polem magnetycznym, aż do warunków ułamkowego kwantowego efektu Halla [76] – tj. przy niepełnym obsadzeniu najniższego poziomu Landaua.

Pierwszy całkowicie spolaryzowany spinowo stan podstawowy, który pojawia się w niezerowym polu magnetycznym, wykazuje właściwości tzw. nieściśliwej cieczy elektronowej i jest nazywany kroplą maksymalnej gęstości (ang. maximum density droplet, MDD) [1]. Orbitalny moment pędu dla stanu MDD wynosi L =−N(N − 1)~

2, a współczynnik wypełnienia poziomu Landaua ν jest równy jed-ności. Wraz ze wzrostem pola magnetycznego gęstość ładunku jest stale ściskana, aż w wysokich polach magnetycznych oddziaływanie kulombowskie między elek-tronami wymusza rozpad stabilnego MDD. Stan podstawowy staje się ściśliwym układem elektronów o skorelowaniu cząstek silniejszym niż dla cieczy i ulega trans-formacjom momentu pędu: L maleje o wartość N ~; wówczas ν < 1 [1, 71, 77]. W ta-kich warunkach współczynnik wypełnienia definiuje się poprzez zależność z liczbą elektronów i orbitalnym momentem pędu, tj. ν = N (N −1)2|L| [78].

Rachunki wykonano w taki sam sposób, jak w pracach nad publikacją A.1., uwzględniając niezerowe pole magnetyczne B w hamiltonianach (2.4) i (2.5). Pa-rametry materiałowe dobrano odpowiednie dla związku GaAs: m = 0.067m0,  = 12.5, g = −0.44 [74, 79]. Potencjał efektywny wprowadzony przez ostrze mi-kroskopu modelowano funkcją Lorentza (3.1) o szerokości połówkowej 2dtip= 8 nm i amplitudzie Vtip = ±2 meV. Skupiono się na czterech potencjałach uwięzienia Vc(r):

• parabolicznym (kropka okrągła, wzór(3)według numeracji z pracy A.2. przy ~ω = 2 meV i parametrze Z = 0),

• parabolicznym z przyciągającym defektem (we wzorze (3) dołączono do-datkowy wyraz pochodzący od dodatnio naładowanego defektu, znajdują-cego się w odległości zdef ponad płaszczyzną nanostruktury, tj. w punkcie rdef = (xdef, 0, zdef) = (20 nm, 0, 20 nm); ~ω = 2 meV, Z = 1),

• kwadratowym według wzoru (4) z parametrami X = Y = 50 nm, V0 = 100 meV,

• kwazijednowymiarowym: X = 75 nm, Y = 15 nm, V0 = 100 meV.

Celem artykułu A.2. było przebadanie możliwości odtworzenia gęstości elektro-nowej z map energii w funkcji położenia ostrza mikroskopu sił atomowych przy różnych wartościach pola magnetycznego dla każdego z rozważanych potencjałów uwięzienia. Aby ułatwić dyskusję wielu wyników, w większości przypadków zde-cydowano się na zilustrowanie zgodności gęstości odtworzonej nr(r) z oryginalną niezaburzoną gęstością n(r) za pomocą znormalizowanego współczynnika korelacji,

τ = 1 S Z Z S n(x, y) − hni nr(x, y)− hnri σnσnr dx dy, (3.4)

obliczonego dla obszaru o powierzchni S.hni oraz σnoznaczają odpowiednio: śred-nią oraz odchylenie standardowe gęstości n.

I. Okrągła kropka kwantowa

W przypadku okrągłej kropki kwantowej ostrze mikroskopu sił atomowych wy-wiera niewielki wpływ na gęstość elektronową przy ν > 1, w szczególności w stanie MDD (rys. 2(a)-(o) z omawianej publikacji). Jest to reakcja charakterystyczna dla nieściśliwej cieczy elektronowej. Zniesienie symetrii potencjału uwięzienia spowo-dowało nieznaczne eliptyczne wydłużenie kształtu gęstości ładunku. Zupełnie inne zjawisko zaobserwowano przy wyższych polach magnetycznych dla ułamkowych współczynników wypełnienia. Ostrze łamiąc symetrię obrotową potencjału uwię-zienia powoduje transformację gęstości do molekuły Wignera (rys.2(p)-(ad)), która bez zaburzenia symetrii nie może być widoczna, ale jest oznaką silnego skorelowania elektronów.

Podobne jakościowe zróżnicowanie wyników, zależne od pola magnetycznego, zauważono odtwarzając gęstość ładunku dwóch, trzech i czterech elektronów przy pomocy algorytmu opartego na rachunku zaburzeń. Znormalizowany współczynnik korelacji τ jest bliski jedności przy niskich polach magnetycznych aż do stanu MDD włącznie, tj. gdy ν > 1 – zarówno dla przyciągającego, jak i dla odpychającego tipu (rys.1(a) i 4). Opisana wcześniej reakcja układu na zaburzenie wprowadzone przez ostrze jest niewielka, co pozwala na dokładne odtworzenie gęstości elektronowej z map energii w funkcji położenia tipu.

Wraz z rozpadem kropli maksymalnej gęstości i przejściem do zakresu kwanto-wego ułamkokwanto-wego efektu Halla, współczynnik korelacji zaczyna stopniowo spadać i oscylować z częstotliwością odpowiadającą transformacjom momentu pędu stanu podstawowego (rys. 1(b) i 4). Algorytm odtwarzania gęstości daje gorsze wyniki niż w przypadku niskich pól magnetycznych, ponieważ ostrze silnie zaburza stan układu, w związku z czym założenie o stosowalności rachunku zaburzeń (3.3) nie jest spełnione dla wysokich pól.

Jednocześnie wartość współczynnika korelacji τ w warunkach ułamkowego kwan-towego efektu Halla znacząco różni się w zależności od znaku Vtip: ostrze przycią-gające pozwala na dokładniejsze odtworzenie gęstości. Niezaburzona gęstość n dla danego stałego współczynnika wypełnienia ν wraz ze wzrostem pola magnetycz-nego staje się coraz bardziej skompresowana (co zwiększa oddziaływanie elektron-elektron), aż dochodzi do transformacji momentu pędu z przeskokiem do niższe-go ułamkoweniższe-go współczynnika ν. Każdej takiej transformacji towarzyszy nagłe zwiększenie promienia pierścienia gęstości elektronowej. Tymczasem promień od-tworzony za pośrednictwem przyciągającego ostrza (Vtip =−2 meV, rys. 1(c)) jest najczęściej zawyżony, ponieważ gęstość elektronowa podąża za sondą, minimalizu-jąc w ten sposób energię. Dlatego dla przyciągaminimalizu-jącego ostrza maksimum gęstości odtworzonej ze zmian energetycznych jest najczęściej odsunięte od środka kropki w porównaniu z oryginalną gęstością (rys.3(a)) i nie wykazuje nagłych transforma-cji. Natomiast przy odpychającym potencjale (Vtip = 2 meV) maksimum gęstości odtworzonej jest znacznie przesunięte w kierunku centrum układu, a obszar przez nią zajęty jest zawyżony (rys. 3(b)). Efekty te znacząco różnią gęstość odtworzoną nr od niezaburzonej n – stąd niski współczynnik korelacji, jednak średni promień nr pozostaje w dużej zgodności z promieniem oryginalnej gęstości ze względu na częściowe znoszenie się tych przeciwstawnych odchyleń (rys. 1(c)).

Zauważono również, że wraz ze wzrostem liczby elektronów rośnie współczynnik korelacji τ – im więcej elektronów, tym silniejsze ekranowanie potencjału ostrza, w związku z czym zaburzenie jest mniejsze, a gęstość łatwiejsza do odtworzenia przy pomocy proponowanego algorytmu.

II. Okrągła kropka kwantowa z defektem przyciągającym

W tej części pracy nad publikacją A.2. analiza wyników prowadziła do po-dobnych wniosków niezależnie od znaku Vtip, dlatego w artykule niektóre wykresy zamieszczono tylko dla przyciągającego przypadku.

mak-symalnej kropli gęstości kropki izotropowej, maksimum gęstości elektronowej jest przesunięte do położenia defektu w płaszczyźnie nanostruktury. Gęstość tę udaje się bardzo precyzyjnie odtworzyć z map energii w funkcji położenia tipu (rys. 6(a)-(i)

dla N = 2 oraz 7(a)-(j)dla N = 3), współczynnik korelacji τ jest bliski wartości 1 (rys. 5(a) oraz 5(b)).

W warunkach wyższego pola magnetycznego (od ok. 5 T) obserwuje się znacz-ne rozszczepienie dwóch najniższych poziomów eznacz-nergetycznych dwóch elektronów związanych w badanej kropce kwantowej. Jednocześnie współczynnik wypełnienia jest ciągłą funkcją pola magnetycznego (rys. 5(a)), co jest konsekwencją braku na-głych transformacji momentu pędu ze względu na zniesienie symetrii potencjału uwięzienia. Obecność defektu o dodatnim ładunku powoduje przekształcenie gę-stości dwóch elektronów do fazy molekularnej z dwoma wyraźnymi maksimami: jednym pokrywającym się z położeniem defektu i drugim po przeciwnej stronie kropki. Znajduje to swoje odzwierciedlenie w energii układu wynikającej z zabu-rzenia ostrzem, dzięki czemu oba maksima są odtworzone w wynikowej gęstości nr testowanego algorytmu (rys. 6(j)-(r)). Proponowana metoda poprawnie odwzo-rowuje kształt molekularnego rozkładu gęstości, jedynie rozmiar obszaru zajętego przez ładunek wydaje się być miejscami zawyżony (np. porównanie gęstości orygi-nalnej 6(p) i odtworzonej 6(q)).

Dla N = 3 obecność defektu ma dużo mniejszy wpływ na poziomy energetyczne, niż w opisywanym wyżej przypadku dwóch elektronów. Zależność współczynnika wypełnienia τ od pola magnetycznego zachowuje kształt zbliżony do schodkowego (rys. 5(b)) z przeskokami dla takich wartości B, dla których zachodzi nieznaczne odpychanie poziomów energetycznych (tzw. antykrossing, ang. anticrossing), zastę-pujące przecięcia poziomów w przypadku kropki izotropowej. Molekuła Wignera o trzech wyraźnie odseparowanych maksimach pojawia się w gęstości elektronowej tylko w okolicach antykrossingów przy wysokich polach magnetycznych i okazu-je się być niemożliwa do zobrazowania: współczynnik korelacji gęstości oryginalnej i odtworzonej, bliski jedności w początkowym zakresie pól magnetycznych, po gwał-townym obniżeniu stopnia wypełnienia ν < 1 zaczyna cyklicznie spadać w okolicy każdego antykrossingu. Gęstość odtworzona nr jest zbliżona kształtem do pierście-nia z jednym maksimum w okolicy położepierście-nia defektu (rys. 7), co jest niezgodne z molekułą Wignera widoczną w gęstości n. Trzy maksima odpowiadające położe-niom jednoelektronowych wysp ładunku udało się odtworzyć dopiero po obniżeniu amplitudy ostrza do Vtip=−0.5 meV, co pokazano na wykresach rysunku7.

ukła-dzie laboratoryjnym – taką gęstość udaje się z dużym powodzeniem odtworzyć, dla-tego pomiędzy antykrossingami współczynnik korelacji dla N = 3 jest relatywnie wysoki (rys. 5(c)).

III. Prostokątne kropki kwantowe: kwadratowa i kwazijednowymiaro-wa

W przypadku kwadratowej kropki kwantowej w całym badanym zakresie pola magnetycznego udało się z dużą dokładnością odtworzyć gęstość czterech elektro-nów, która w miarę wzrostu wartości B układa się w molekułę Wignera (rys. 11(g)-(l)). Dla N = 2 i N = 3 gęstość ładunku odwzorowano precyzyjnie tyl-ko przy niskim polu magnetycznym – dla wyższych pól, dla których współczynnik wypełnienia ν jest mniejszy od 1, oryginalna gęstość wykazuje wyraźne maksima w narożnikach kropki kwantowej, co okazało się być niemożliwe do odzwierciedlenia przy pomocy proponowanego algorytmu (rys.11(a)-(f)). Podobny problem dotyczy jednoelektronowej gęstości: o ile w niskich zakresach pól udało się ją precyzyjnie odtworzyć (rys. 8(b),(d)), o tyle w wysokim polu ostrze wywarło duży wpływ na stan układu, w związku z czym gęstość otrzymana z map zmian energetycznych zaj-muje znacząco większy (dla Vtip=−2 meV, rys.8(g)) lub mniejszy (Vtip= 2 meV, rys. 8(i)) obszar niż gęstość oryginalna.

W potencjale kwazijednowymiarowej kropki kwantowej w wysokim polu magne-tycznym zaobserwowano stabilny rozkład molekularny. Dla tej kropki kwantowej współczynnik korelacji między gęstością niezaburzoną oraz odtworzoną uzyskano bliski jedności niezależnie od liczby elektronów oraz wartości pola magnetycznego.

A.3. Simulation of the Coulomb blockade microscopy of

W dokumencie Index of /rozprawy2/11391 (Stron 28-33)

Powiązane dokumenty