• electron double layer
• inter-layer correlations
• magneto-photoluminescence
• quantum Hall effect

Fin dalla sua scoperta nel 1980, l'effetto Hall quantistico(QH) è diventato uno dei fenomeni più studiati nella fisica dello stato solido. La sua principale manifestazione sperimentale è la quantizzazione della resistività di Hall di un gas elettronico bidimensionale(layer), confinato in eterostrutture a semiconduttore, a bassa temperatura (T < 4 K) e in presenza di forti campi magnetici perpendicolari (1 - 30 Tesla). Oltre a rappresentare una manifestazione macroscopica della meccanica quantistica, l'effetto QH ed in particolare quello frazionario è importante in quanto dimostra il ruolo centrale svolto dalle interazioni Coulombiane. Quindi un layer in regime QH rappresenta un laboratorio in cui si possono studiare gli effetti delle correlazioni elettroniche e si può passare da un fluido correlato all'altro, solo variando il campo magnetico.

Un sistema formato da due layer paralleli e vicini, si chiama bilayer. Esso è caratterizzato da un nuovo grado di libertà detto pseudospin, che identifica elettroni appartenenti ad uno o all'altro layer, e il suo comportamento è governato da due nuove scale di energia : il tunneling gap e l'interazione Coulombiana interlayer. Fenomeni senza analogie nei singoli layer sono stati osservati in esperimenti di trasporto sui bilayer in regime QH. I più notevoli sono l'esistenza di uno stato QH con fattore totale di riempimento nu = 1/2 e con nu = 1. Entrambi questi stati sono dovuti alle correlazioni elettroniche interlayer. Inoltre lo stato QH con nu = 1 viene descritto come un ferromagnete di pseudospin, oppure come un condensato BCS-like di eccitoni interlayer, con proprietà notevoli quali l'esistenza di un modo di Goldstone e di supercorrenti eccitoniche. Le misure di trasporto portano evidenze convincenti di queste proprietà.

In questa tesi studiamo la magneto-luminescenza di bilayer accoppiati in regime QH, con l'obiettivo di trovare evidenza delle correlazioni interlayer e delle proprietà peculiari degli stati QH. La motivazione sta nel fatto che la luminescenza è una tecnica relativamente semplice e diretta dal punto di vista sperimentale e inoltre fornisce informazioni complementari rispetto ai dati di trasporto. Ciò nonostante, fino ad oggi questa tecnica è stata impiegata marginalmente nello studio dei bilayer e anche i pochi lavori esistenti studiano campioni in regimi dove non valgono più le suddette proprietà.

Il lavoro sperimentale è stato svolto presso il laboratorio NEST di Pisa. Abbiamo misurato gli spettri di magneto-luminescenza di due campioni, uno con e l'altro senza tunneling gap, al variare del campo magnetico nell'intervallo 0 - 12 T. E stata studiata la dipendenza dell'emissione ottica dalla temperatura e dalla lunghezza d'onda di eccitazione del laser. Sono state condotte misure di luminescenza polarizzata (sia circolare destra che sinistra) al fine di identificare l'origine fisica dei picchi e il ruolo dello spin. Misure ausiliari di trasporto sono state effettuate per individuare gli stati QH nei due campioni e verificare la loro evoluzione con la temperatura.

A causa di una peculiare cancellazione delle interazioni elettrone-elettrone con quelle elettrone-lacuna (quest'ultima fotogenerata dal laser), gli effetti delle interazioni Coulombiane non si dovrebbero vedere per campi magnetici sopra una certa soglia, associata alla occupazione del livello di Landau più basso (nu = 2). Questo fenomeno che in letteratura prende il nome di hidden symmetry, si manifesta come un cambiamento improvviso dell'andamento delle energie di luminescenza. Il fatto che questo si verifichi nei nostri campioni a un fattore di riempimento (nu = 4) doppio rispetto ai singoli layer, dimostra l'incidenza del grado di libertà di pseudospin. Comunque tale simmetria non è esatta, come dimostrano i risultati che seguono.

In entrambi i campioni infatti osserviamo evidenze degli stati QH a nu = 2, 1 e 2/3, sotto forma di anomalie (minimi o massimi) nell'intensità di emissione. Inoltre nel campione con tunneling gap finito, i dati indicano una perdita di polarizzazione di pseudospin negli stati nu = 1 e 2/3, evidenziando cosi il ruolo dell'interazione interlayer. A nu = 1 il risultato è in accordo con esperimenti precedenti di diffusione anelastica di luce, mentre a nu = 2/3 rappresenta una novità. Infine nel campione con tunneling gap nullo, troviamo evidenza dello stato particolare a nu = 1/2.