Новый масштаб обменной энергии квантово-холловских ферромагнетиков / Ваньков А.Б., Кукушкин И.В.

Некоторые секреты физики конденсированного состояния раскрываются на примереопределенных модельных задач. Так, эффекты, связанные с обменным взаимодействием двумерныхэлектронов в квантующем магнитном поле, изучают в простейшем случае квантово-холловскогоферромагнетика (QHF) с 1. Это состояние устойчиво даже в системах со сколь угодно малымЗеемановским взаимодействием, что объясняется значительным выигрышем в обменной энергии.Сведенный до минимума набор встроенных корреляций делает это состояние наиболее пригоднымдля теоретического анализа, хотя последовательный учет многочастичных эффектов возможен лишьпри условии малости кулоновских вкладов по сравнению с циклотронной энергией. Ранее на примередвумерных электронных систем в GaAs был показан эффективный способ зондирования обменныхэффектов через энергию циклотронных возбуждений с переворотом спина (CSFE), измеряемуюметодом неупругого рассеяния света [1]. Наблюдалось хорошее согласие эксперимента с расчетами вприближении Хартри-Фока при выполнении условия малости кулоновских вкладов относительноциклотронной энергии. В появившихся сравнительно недавно системах на основе гетеропереходаZnO/MgZnO взаимодействие на порядок сильнее, а сильное смешивание уровней Ландаукачественным образом затрудняет теоретическое описание коллективных эффектов, так как дажеточный вид основного состояния системы неизвестен. В этих условиях было снова проведеноэкспериментальное исследование обменной энергии рассеянием света на коллективном возбужденииCSFE.В настоящей работе было установлено, что в широком диапазоне электронных концентраций,соответствующих параметру Вигнера-Зейтса rs 127 , обменный вклад в энергию CSFE имеетмасштаб циклотронной энергии вместо обычной величины кулоновской энергии на расстояниимагнитной длины B e / 2 . При этом прочие свойства коллективного возбуждения – зависимостьэнергии от фактора заполнения, от температуры, дисперсия от обобщенного импульса – сохраняются.Причиной нетривиального поведения обменного вклада является сильное смешивание уровнейЛандау, приводящее к эффективной перенормировке кулоновского взаимодействия, ожидаемого втеории в пределе 1 s r . В работе показано, что хорошую оценку многочастичного вклада в энергиюколлективных возбуждений можно получить даже в этом пределе, проводя вычисления все же впроекции на несколько нижайших уровней Ландау, но заменяя влияние остальных уровнейвведением статической диэлектрической функции в Фурье-компоненту Кулоновского потенциала.Вычисления как методом Хартри-Фока, так и методом точной диагонализации дают хорошеесогласие с экспериментом и качественно совпадают с альтернативными теоретическими оценкамиобменной энергии QHF, полученными для задачи о скирмионных возбуждениях [2].