强非对称约束下 2D 空穴气体的增强有效质量、轨道化简及色散关系
介观与纳米尺度物理
2026-02-12 v1
摘要
Rashba 分裂重空穴亚带在 GaAs 二维空穴气体 (2DHGs) 中的色散难以实验获取，因为强的重空穴-轻空穴混合产生非抛物性并破坏载流子密度与费米波矢之间的常规对应关系。本文利用低场磁传输 (B < 1 T) 重构了未掺杂 (100) GaAs/AlGaAs 单异质结 2DHGs 在积聚模式场效应几何中的两个自旋轨道分裂的重空穴分支 (HH-, HH+) 的色散。该装置在保持迁移率最高可达 84 m/Vs 的同时，能够承受最高达 26 kV/cm 的垂直电场，表现出最高可达 36% 的自旋轨道化简。Shubnikov-de Haas (SdH) 振荡的傅里叶分析解析出单个 HH-/HH+ 亚带的密度；拟合相应傅里叶振幅随温度依赖性，可在相同的磁场窗口内获得分支分辨的 SdH 有效质量。阐明了可提取可靠亚带参数的 SdH regime。对于 2DHG 密度 (0.76-1.9) /m，HH- 质量几乎与密度无关 ()，表明 HH- 在第一个 LH+/HH- 反交叉点以下呈近抛物 HH- 色散，而 HH+ 则表现出随密度增大的强非抛物性，其有效质量随密度增大。结合提取的色散，可基于传输确定 HH 与 HH+ 之间的自旋轨道分裂能 作为函数的 in-plane 波矢。无参数 Luttinger 模型计算再现了定性趋势，但普遍低估了两个质量约为 2 的因子，暗示在这种强非对称 regime 下重空穴质量存在 many-body 重整。
引用
@article{arxiv.2602.10852,
title = {Enhanced effective masses, spin-orbit polarization, and dispersion relations in 2D hole gases under strongly asymmetric confinement},
author = {N. A. Cockton and F. Sfigakis and M. Korkusinski and S. R. Harrigan and G. Nichols and Z. D. Merino and T. Zou and A. C. Coschizza and T. Joshi and A. Shetty and M. C. Tam and Z. R. Wasilewski and S. A. Studenikin and D. G. Austing and J. Baugh and J. B. Kycia},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.10852},
year = {2026}
}