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分光学:2次元電子系の高分解能分光法

Nature 448, 7150 doi: 10.1038/nature05982

材料への瞬間的な電子の注入または放出を用いる分光学的方法は、電子構造や相互作用を調べる強力な方法である。これらの方法(光電子放出や電子トンネリングなど)によって、系の「単一粒子」状態密度スペクトルの測定が可能になる。この状態密度は、こうした実験で電子1個の注入または放出に成功する確率に比例する。それは、注入電子を受け入れることのできる系の電子状態の数に等しく、注入電子のエネルギーの関数であり、高度に相互作用する系の理論において最も基本的かつ直接計算可能な量の1つである。しかし、分数量子ホール効果などの顕著な相関電子状態が生じる2次元電子系(2DES)は、分光学的に調べるのが困難であることがわかっている。今回我々は、2DESの単一粒子状態密度の測定をかつてない忠実度と分解能で可能にする、改良された時間領域容量分光法について報告する。この方法を用いて低温2DESの測定を行い、他の手法では実現困難なエネルギーで興味深い相関電子効果を直接測定した。これらの効果には、交換増強された単一粒子スピンギャップ、量子ホール系における単一粒子寿命、およびフェルミ面外でのランダウ準位の交換分裂が含まれる。

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