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Previous issue date: 2004-04-02 / Financiadora de Estudos e Projetos / Experimental and theoretical studies of the aspects of particle-like and collective behavior
of electrons in the proximity of the edges of two-dimensional (2DES) and quasi-one-dimensional
(Q1DES) systems, named quantum wires (QWs), in semiconductor heterostructures reveal the
important role of the electron-electron interaction on the edge states in the integer quantum
Hall regime (IQHR). In this thesis we treat two essentially different problems concerning the
effects of the electron-electron interaction in low-dimensional electron system in the IQHR.
The first problem is related to the suppression of the spin-splitting of the lowest Landau level
(LL) (n = 0) due to many-body effects (the electron-electron interaction including exchange
and correlation effects of the edge states) in QWs in the IQHR, where the electron behavior is
particle-like. Two scenarios are discussed for the collapse of the IQHR at ν = 1 for an electron
channel of effective width W modelling the QW. In the first scenario we assume that there
is no electron redistribution in the region limited by W at a critical magnetic field B(1)
cr , for
which the Fermi level (FL) coincides with the bottom of the highest empty LL, at the threshold
of the spin-splitting. For B < B(1)
cr the IQHR at ν = 1 is termodinamically unstable. This
scenario is analyzed within the generalized local density approximation (GLDA) developed
here for the QW, at high magnetic fields - ωc À Ω, where ωc and Ω are the ciclotronic and
lateral confinement (which we assume as parabolic one) frequencies, respectively. In the second
scenario, we consider the possibility of a transition for the IQHR at ν = 2 with an effective
width W/2, at a critical magnetic field B(2)
cr . In this scenario, the collapse of the IQHR at ν = 1
is studied within the Hartree-Fock approximation (HFA), when the bare factor g0 is neglected
(this is a good approximation for QWs based on GaAs). We show that the contribution for the
total energy coming from the direct interaction (Hartree term) has a strong effect on B(2)
cr due
to the high electron redistribution inside the narrow channel that defines the QW at B(2)
cr . In
both scenarios, the enhanced spin-splitting by exchange is suppressed at the critical magnetic
field. From our results, we conclude that only the first scenario explains all the experimental
findings obtained by Wróbel et al. and Pallecchi et al..
In the second problem, where the collective aspects of the electron system are dominant, we
study the influence of the temperature on the dispersion relation and the spatial structure of the
edge magnetoplasmons (EMPs) in wide electron channels in the RHQI at ν = 1 (2) and 4, in
the range ¯hωc À kB T À ¯hvH
gn/2 0, for different dissipation regimes, by extending the pioneering
work by Balev and Studart; here, ¯h is the constant of Planck constant (by 2π), kB is the constant
of Boltzmann, vH
gn is the group velocity (in Hartree approximation) of the edge states of n-th LL,
and 0 is the magnetic lenght. A new mode called the edge helicon is found which is the only one
that survive for very strong dissipation regime. For a sake of completeness, the general picture
of the other modes is presented in the weak dissipation regime. EMPs in the IQHR for ν = 4
are also evaluated for weak dissipation and we find strong renormalization of the pure EMPs
when the Coulomb interaction is considered appropriately. In all studied cases the important
effect of the gate and the air from a distance d of the wide electron channel is considered. / Diversos estudos experimentais e teóricos, envolvendo tanto o comportamento do tipo partícula
quanto coletivo dos elétrons numa estreita região próxima às fronteiras de sistemas bidimensionais
(SE2Ds) e quase-unidimensionais (SEQ1Ds), ou fios quânticos (FQs), em heteroestruturas
semicondutoras, vêm revelando o importante papel da interação elétron-elétron dos estados
de borda no regime Hall quântico inteiro (RHQI). Dois problemas essencialmente diferentes
quanto à natureza de sua manifestação, mas interligados quanto ao meio e regime em que são
inseridos, são tratados nesta tese.
O primeiro problema aborda a supressão do desdobramento de spin do mais baixo nível de
Landau (NL) (n = 0) devido a efeitos de muitos corpos (interação elétron-elétron incluindo troca
e correlação dos estados de borda) em FQs no RHQI, cujo comportamento eletrônico se manifesta
como sendo do tipo de partícula. Aqui são discutidos dois cenários para o colapso do RHQI com
ν = 1 no FQ com largura efetiva W . No primeiro cenário assumimos que não há redistribuição
dos elétrons na região limitada por W na presença de um campo magnético crítico B(1)
cr , tal que
o nível de Fermi (NF) coincide com o fundo do mais alto NL vazio, no limiar do desdobramento
de spin. Para B < B(1)
cr o RHQI com ν = 1 é instável termodinamicamente. Este cenário é
tratado dentro da aproximação da densidade local generalizada (ADLG) desenvolvida aqui
para o FQ, em altos campos magnéticos - ωc À Ω, onde ωc e Ω são as freqüências ciclotrônica
e de confinamento lateral (que nós consideramos como sendo parabólico), respectivamente.
No segundo cenário, consideramos a possibilidade de uma transição para o RHQI com ν = 2
com uma largura duas vezes menor, W/2, no caso de um campo magnético crítico B(2)
cr . Neste
cenário, o colapso do RHQI com ν = 1 é estudado dentro da aproximação de Hartree-Fock
(AHF), quando o fator g0 puro é desprezado (uma boa aproximação para FQs baseados em
GaAs). Mostramos que a contribuição para a energia total da interação direta (termo de Hartree)
tem um grande efeito sobre B(2)
cr por causa da forte redistribuição dentro do canal estreito que
cr . Em ambos os cenários, o desdobramento de spin realçado pelo termo de
troca é suprimido no campo magnético crítico. De acordo com tais resultados, fomos levados a
concluir que somente nosso primeiro cenário explica todas as observações experimentais, obtidas
por Wróbel et al. e Pallecchi et al., pertinentes ao nosso estudo.
O segundo problema, cujo comportamento eletrônico se manifesta como sendo do tipo coletivo,
aborda os efeitos da temperatura sobre a dispersão e a estrutura espacial dos magnetoplasmons
de borda (MPBs) em canais eletrônicos largos (ou SE2Ds) no RHQI com ν = 1(2)
e 4, considerando o intervalo de temperaturas T não-muito-baixas, ¯hωc À kB T À ¯hvH
gn/2 0,
e diferentes regimes de dissipação, numa extensão ao trabalho pioneiro desenvolvido por Balev
e Studart; aqui, ¯h é a constante de Planck (por 2π), kB é a constante de Boltzmann, vH
gn é a
velocidade de grupo (na aproximação Hartree) dos estados de borda do n-ésimo NL e 0 é o
comprimento magnético. Assim, um novo modo denominado hélicon de borda foi encontrado,
sendo o único dentre os vários outros modos presentes a sobreviver sob o regime de dissipação
muito forte, revelando o importante papel da interação elétron-elétron. Por questão de completeza,
um quadro geral dos outros modos é apresentado no regime de fraca dissipação. MPBs
no RHQI com ν = 4 são também avaliados na região de fraca dissipação, onde é verificada uma
forte renormalização dos MPBs puros quando considerada a interação coulombiana entre eles.
Em todos casos o importante efeito do portão (gate) e ar a uma distância d dos canais largos é
considerado.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/4894 |
| Date | 02 April 2004 |
| Creators | Silva, Sanderson Francisco Fernandes Pereira da |
| Contributors | Studart Filho, Nelson |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Física, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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