forked from laserroger/QHE
-
Notifications
You must be signed in to change notification settings - Fork 0
/
Copy pathQHELectureNotesLH2009_arxiv.tex
3770 lines (3221 loc) · 268 KB
/
QHELectureNotesLH2009_arxiv.tex
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
666
667
668
669
670
671
672
673
674
675
676
677
678
679
680
681
682
683
684
685
686
687
688
689
690
691
692
693
694
695
696
697
698
699
700
701
702
703
704
705
706
707
708
709
710
711
712
713
714
715
716
717
718
719
720
721
722
723
724
725
726
727
728
729
730
731
732
733
734
735
736
737
738
739
740
741
742
743
744
745
746
747
748
749
750
751
752
753
754
755
756
757
758
759
760
761
762
763
764
765
766
767
768
769
770
771
772
773
774
775
776
777
778
779
780
781
782
783
784
785
786
787
788
789
790
791
792
793
794
795
796
797
798
799
800
801
802
803
804
805
806
807
808
809
810
811
812
813
814
815
816
817
818
819
820
821
822
823
824
825
826
827
828
829
830
831
832
833
834
835
836
837
838
839
840
841
842
843
844
845
846
847
848
849
850
851
852
853
854
855
856
857
858
859
860
861
862
863
864
865
866
867
868
869
870
871
872
873
874
875
876
877
878
879
880
881
882
883
884
885
886
887
888
889
890
891
892
893
894
895
896
897
898
899
900
901
902
903
904
905
906
907
908
909
910
911
912
913
914
915
916
917
918
919
920
921
922
923
924
925
926
927
928
929
930
931
932
933
934
935
936
937
938
939
940
941
942
943
944
945
946
947
948
949
950
951
952
953
954
955
956
957
958
959
960
961
962
963
964
965
966
967
968
969
970
971
972
973
974
975
976
977
978
979
980
981
982
983
984
985
986
987
988
989
990
991
992
993
994
995
996
997
998
999
1000
%!TEX TS-program = xelatex
%!TEX encoding = UTF-8 Unicode
\documentclass[10pt]{book}
%\usepackage[english]{babel,varioref}
\usepackage{xeCJK}
\setCJKmainfont[BoldFont={SimHei},ItalicFont={KaiTi}]{SimSun}
%\documentclass{pinchcr}
\usepackage{epsfig}
\usepackage{color}
\usepackage{textcomp}
\usepackage{mathrsfs,amsmath}
\usepackage{bbm}
\usepackage[colorlinks,citecolor=blue]{hyperref}
\usepackage{footmisc}
\usepackage{geometry}
\geometry{left=2.5cm,right=2.5cm,top=2.5cm,bottom=2.5cm}
%\newcommand{\stylename}{\texttt{pinchcr}}
\newcommand{\red}{\color{red}}
\renewcommand{\contentsname}{目录}
\renewcommand{\figurename}{图}
\def\gtrsim{\mathrel{\raise.4ex\hbox{$>$}\kern-0.8em\lower.7ex\hbox{$\sim$}}}
\def\lesssim{\mathrel{\raise.4ex\hbox{$<$}\kern-0.8em\lower.7ex\hbox{$\sim$}}}
\newcommand{\bone}{\mathbbm{1}}
\renewcommand{\B}{\mathcal{B}}
\newcommand{\A}{\mathcal{A}}
\newcommand{\taub}{\mbox{\boldmath $\tau $}}
\newcommand{\sigmab}{\mbox{\boldmath $\sigma $}}
\newcommand{\deltab}{\mbox{\boldmath $\delta $}}
\newcommand{\etab}{\mbox{\boldmath $\eta $}}
\newcommand{\kappab}{\mbox{\boldmath $\kappa $}}
\newcommand{\Omegab}{\mbox{\boldmath $\Omega $}}
\newcommand{\Deltab}{\mbox{\boldmath $\Delta $}}
\newcommand{\Pib}{\mbox{\boldmath $\Pi $}}
\newcommand{\Pibtilde}{\mbox{\boldmath $\tilde{\Pi} $}}
\newcommand{\nubar}{\bar{\nu}}
\newcommand{\zbar}{\bar{z}}
\newcommand{\sbar}{\bar{s}}
\newcommand{\fbar}{\bar{f}}
\newcommand{\qbar}{\bar{q}}
\newcommand{\rhobar}{\bar{\rho}}\newcommand{\chibar}{\bar{\chi}}
\newcommand{\rhobarbar}{\bar{\bar{\rho}}}
\newcommand{\chibarbar}{\bar{\bar{\chi}}}
\newcommand{\sbarbar}{\bar{\bar{s}}}
\newcommand{\fbarbar}{\bar{\bar{f}}}
\newcommand{\q}{{\mathcal{q}}}
\newcommand{\hhat}{\hat{h}}
\newcommand{\Hhat}{\hat{H}}
\newcommand{\xhat}{\hat{x}}
\newcommand{\phat}{\hat{p}}
\newcommand{\Xhat}{\hat{X}}
\newcommand{\Yhat}{\hat{Y}}
\newcommand{\bp}{{\bf p}}
\newcommand{\bq}{{\bf q}}
\newcommand{\bk}{{\bf k}}
\newcommand{\br}{{\bf r}}
\newcommand{\bA}{{\bf A}}
\newcommand{\ba}{{\bf a}}
\newcommand{\bx}{{\bf x}}
\newcommand{\be}{{\bf e}}
\newcommand{\bn}{{\bf n}}
\newcommand{\bm}{{\bf m}}
\newcommand{\bj}{{\bf j}}
\newcommand{\bg}{{\bf g}}
\newcommand{\bR}{{\bf R}}
\newcommand{\bP}{{\bf P}}
\newcommand{\bB}{{\bf B}}
\newcommand{\bE}{{\bf E}}
\newcommand{\bK}{{\bf K}}
\newcommand{\strich}{\,|\,}
\newcommand{\vtilde}{\tilde{v}}
\newcommand{\stilde}{\tilde{s}}
\newcommand{\ptilde}{\tilde{p}}
\newcommand{\ctilde}{\tilde{c}}
\newcommand{\ltilde}{\tilde{l}}
\newcommand{\ftilde}{\tilde{f}}
\newcommand{\etilde}{\tilde{e}}
\newcommand{\phitilde}{\tilde{\phi}}
\newcommand{\rhotilde}{\tilde{\rho}}
\newcommand{\Pitilde}{\tilde{\Pi}}
\newcommand{\Smath}{\mathcal{S}}
\newcommand{\Omath}{\mathcal{O}}
\newcommand{\Hmath}{\mathcal{H}}
\newcommand{\Cmath}{\mathcal{C}}
\newcommand{\Zmath}{\mathcal{Z}}
\newcommand{\Amath}{\mathcal{A}}
\newcommand{\Pmath}{\mathcal{P}}
\newcommand{\Tmath}{\mathcal{T}}
\newcommand{\Emath}{\mathcal{E}}
\newcommand{\Mmath}{\mathcal{M}}
\newcommand{\Sbar}{\bar{S}}
\newcommand{\Ibar}{\bar{I}}
\newcommand{\Obar}{\bar{O}}
\newcommand{\Otilde}{\tilde{\Omega}}
\newcommand{\ua}{\uparrow}
\newcommand{\da}{\downarrow}
\newcommand{\beq}{\begin{equation}}
\newcommand{\beqn}{\begin{eqnarray}}
\newcommand{\eeq}{\end{equation}}
\newcommand{\eeqn}{\end{eqnarray}}
\newcommand{\nn}{\nonumber}
\newcommand\itt{\it\color{blue}}
\pagestyle{myheadings}
%opening
\title{Quantum Hall Effects\bf 量子Hall效应}
\author{Mark O. Goerbig\\
Laboratoire de Physique des Solides, CNRS UMR 8502\\ Universit\'e Paris-Sud, France\\\
\\
Revised \& Translated by \textsc{Laserdog}\\
Chaoli Translation Group
%State Key Laboratory for Mesoscopic Physics and School of Physics,Peking University; \\
%Collaborative Innovation Center of Quantum Matter, Beijing 100871, P. R. China
}
\begin{document}
\bibliographystyle{cj}
%\begin{abstract} %102 pages; lecture notes for the Singapore session ``Ultracold Gases and Quantum Information'' of Les Houches Summer School, 2009
%These lecture notes yield an introduction to quantum Hall effects both for non-relativistic electrons in conventional 2D electron gases (such as in semiconductor heterostructures) and relativistic electrons in graphene. After a brief historical overview in chapter 1, we discuss in detail the kinetic-energy quantisation of non-relativistic and elativistic electrons in a strong magnetic field (chapter 2). Chapter 3 is devoted to the transport characteristics of the integer quantum Hall effect, and the basic aspects of the fractional quantum Hall effect are described in chapter 4. In chapter 5, we briefly discuss several multicomponent quantum Hall systems, namely the quantum Hall ferromagnetism, bilayer systems and graphene that may be viewed as a four-component system.
%\end{abstract}
\maketitle
%\subsection*{Preface 前言}
%
%The present notes cover a series of three lectures on the quantum Hall effect
%given at the Singapore session ``Ultracold Gases and Quantum Information''
%at {\sl Les Houches Summer School} 2009. Almost 30 years after the discovery of the
%quantum Hall effect, the research subject of quantum Hall physics has definitely
%acquired a high degree of maturity that is reflected by a certain number of
%excellent reviews and books, of which we can cite only a few \cite{PG,yoshioka,ezawa}
%for possible further or complementary reading. Also the different sessions
%of {\sl Les Houches Summer School} have covered in several aspects quantum Hall
%physics, and S. M. Girvin's series of lectures in 1998 \cite{GirvinLH} have certainly become a reference
%in the field.\footnote{These lectures are also available on the preprint server, http://arxiv.org/abs/cond-mat/9907002}
%Girvin's lecture notes were indeed extremely useful for myself when I started
%to study the quantum Hall effect at the beginning of my Master and PhD studies.
%
%The present lecture notes are complementary to the existing literature in several aspects.
%One should first mention its introductory character to the field, which is in no
%way exhaustive. As a consequence, the presentation of one-particle physics and a detailed discussion
%of the integer quantum Hall effect occupy the major part of these lecture notes,
%whereas the -- certainly more interesting -- fractional quantum Hall effect, with its
%relation to strongly-correlated electrons, its fractionally charged quasi-particles
%and fractional statistics, is only briefly introduced.
%
%Furthermore, we have tried
%to avoid as much as possible the formal aspects of the fractional quantum Hall effect,
%which is discussed only in the framework of trial wave functions {\sl \`a la Laughlin}.
%We have thus omitted, e.g., a presentation of Chern-Simons theories and related
%quantum-field theoretical approaches, such as the Hamiltonian theory of the fractional
%quantum Hall effect \cite{MS}, as much as the relation between the quantum Hall effect and
%conformal field theories. Although these theories are extremely fruitful and still
%promising for a deeper understanding of quantum Hall physics,
%a detailed discussion of them would require more space than these lecture notes
%with their introductory character can provide.
%
%Another complementary aspect of the present lecture notes as compared to existing textbooks
%consists of an introduction to Landau-level
%quantisation that treats in a parallel manner the usual non-relativistic electrons in
%semiconductor heterostructures and relativistic electrons in
%graphene (two-dimensional graphite). Indeed, the 2005 discovery of a quantum Hall effect
%in this amazing material \cite{graph1,graph2}
%has given a novel and unexpected boost to research in quantum Hall
%physics.
%
%As compared to the (oral) lectures, the present notes contain slightly more information.
%An example is Laughlin's plasma analogy, which is described in Sec. \ref{PlasmaLaugh}, although
%it was not discussed in the oral lectures. Furthermore, I have decided to add a chapter
%on multi-component quantum Hall systems, which, for completeness, needed to be at least briefly
%discussed.
%
%Before the Singapore session of {\sl Les Houches Summer School}, this series of lectures
%had been presented in a similar format at the (French) Summer School of the Research Grouping
%``Physique M\'esoscopique'' at the Institute of Scientific Research, Carg\`ese, Corsica, in 2008.
%Furthermore, a longer series of lectures on the quantum Hall effect was prepared in collaboration
%with my colleague and former PhD advisor Pascal Lederer (Orsay, 2006). Its aim was somewhat different,
%with an introduction to the Hamiltonian theories of the fractional quantum Hall effect and
%correlation effects in multi-component systems. As already mentioned above, the latter aspect
%is only briefly introduced within the present lecture notes and a discussion of Hamiltonian theories is
%completely absent. The Orsay series of lectures was repeated by Pascal Lederer
%at the {\sl Ecole Polytechnique F\'ed\'erale} in Lausanne Switzerland, in 2006, and
%at the University of Recife, Brazil, in 2007. The finalisation of these longer and more detailed
%lecture notes (in French) is currently
%in progress. The graphene-related aspects of the quantum Hall effect have furthermore been
%presented in a series of lectures on graphene (Orsay, 2008) prepared in collaboration with
%Jean-No\"el Fuchs, whom I would like to thank for a careful reading of the present notes.
%
%\iffalse
%Naturally, my first thanks go to Pascal Lederer for the discussions and collaboration over the last seven years.
%They were extremely precious for the realisation of this series of lectures. The interest for quantum Hall physics
%goes back to my own PhD thesis, and I must therefore acknowledge, on the same level as Pascal Lederer,
%my other former PhD advisor, Cristiane Morais Smith, for a collaboration with an undescribable shared enthousiasm
%for research in theoretical condensed-matter physics in general and quantum Hall systems in particular. I would also like
%to acknowledge Jean-No\"el Fuchs for his valuable comments on these notes, the numerous discussions
%namely on the graphene parts and quite generally for the extremely stimulating collaboration in the subject
%of graphene, which has become a scientific passion for both of us.
%
%Naturally, my scientific collaborations and intellectual exchange with many different confirmed and starting researchers
%is of unesteemable
%value for my knowledge of quantum Hall physics, and there is not enough space to mention all of them here. I would,
%nevertheless, acknowledge the indirect contributions of two of my students, Rapha\"el de Gail and Zlatko Papi\'c.
%These contributions are indeed summarised in parts in the last chapter of these lecture notes on
%multi-component quantum Hall systems.
%%Namely, the generalisation of Laughlin's plasma analogy to multi-component systems is of great pedagogical value.
%
%\fi
\pagenumbering{roman}
\tableofcontents
%\maintext
%%%%%%%%%%%%
%\part{Quantum Hall Effects}
\chapter[简介]{Introduction\\\bf 简介}
\pagenumbering{arabic}
\setcounter{page}{1}
%\subsection*{Motivation}
量子Hall效应——二维(2D)电子在强磁场下的研究[见 图. \ref{fig01}(a)]在过去的几十年里成为了一个非常重要的研究课题。对于量子Hall问题的兴趣源于其处于低维量子系统和强关联电子系统(或许是无尽的凝聚态物理中最主要的问题)的交合处。理论角度上说,学习量子Hall系统需要详尽阐述一系列新概念,其中很多是在高能物理的量子场论中而不是凝聚态物理中熟知的,比如电荷分数化,非对易几何,拓扑场论等。
这个讲义是出于提供一个量子Hall物理的基本知识的合集,从而使得有兴趣的研究生能够获得他/她自己在这方面学习的能力。我们由此努力的完成了这个讲义,不可避免的舍去了一些我们认为超出这个讲义应有的介绍性的内容——这些在我们给出的参考文献或者详细的教科书中有讲述。
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=QHsample_BW.eps,width=6cm,clip}
\epsfig{figure=HallRes.eps,width=5cm,clip}
\end{center}
\caption{ {\sl (a)} 处在垂直磁场中的2D电子(量子Hall系统)。在传统的输运测量中,在C1和C4之间施加电流$I$。纵向电阻可以是C5和C6之间(或者C2和C3之间)的测量。横向(或Hall)电阻是通过比如说C3和C5中间测量得到的。
{\sl (b)} 经典Hall电阻关于磁场的函数。}
\label{fig01}
\end{figure}
%The system we study consists of 2D electrons subject to a perpendicular magnetic field [see 图. \ref{fig01}(a)].
%One of its most prominent phenomena being the quantum Hall effect, this system is also called {\sl quantum Hall system}. %% later
%The fabrication of different 2D electron systems is briefly reviewed in Sec. \ref{2DEG}.
\section[(量子)Hall效应的历史]{History of the (Quantum) Hall Effect\\\bf (量子)Hall效应的历史}
\label{hist}
\markboth{Introduction}{History of the (Quantum) Hall Effect}
\subsection[研究的系统]{The physical system\\\bf 研究的系统}
我们的主要的关于量子Hall系统——在垂直磁场下的2D电子系统——的知识,源自于对电输运的测量。我们驱动电流$I$通过样品,并测量{\itt 纵向}和{\itt 横向}的电阻(也叫Hall电阻)。这两种电阻的不同是至关重要的,而且可以拓扑的来定义:考虑通过样品流经任意两个接触点[图. \ref{fig01}(a)的C1和C4]的电流,并在你心中画一条连接着两个接触点的线。纵向电阻就是你测了两个连线不会穿过C1和C4连线的点之间的电阻。在图. \ref{fig01}(a)中,我们选C5和C6作为纵向电阻的测量。横向电阻则是通过连接两端的先必然会穿过连接C1和C4的线[比如图. \ref{fig01}(b)中的C3和C5]。
%%% look up debate between Maxwell and Hall
\subsection[经典Hall效应]{Classical Hall effect\\\bf 经典Hall效应}
\label{CHE}
显然的,如果有{\itt 量子}Hall效应,我们自然会期望有{\itt 经典}Hall效应。事实上就是这样,而且历史可以追溯到1879年Hall展示薄金属片的横向电阻$R_H$随垂直磁场强度$B$线性变化[图. \ref{fig01}(b)]那时去。
\beq\label{eq01}
R_H=\frac{B}{q n_{el}}\ ,
\eeq
其中,$q$是载流子的电量(电子导电时$q=-e$,其中$e$在本讲义此后的地方被规定为正数。),而$n_{el}$是2D的载流子密度。大家可以简单地想成是Lorentz力导致带电粒子运动的转向,从而形成样品由C1和C4分割的两端的密度梯度的堆积。值得注意的是经典Hall电阻在现在仍然被广泛的用来判定导电材料的带电粒子的电荷以及密度。
\renewcommand*{\thefootnote}{\fnsymbol{footnote}}
定量的讲,经典Hall效应可以用Drude模型在金属中的扩散输运来理解。在这个模型中,我们可以考虑一个载流子,携带动量$\bp$,由运动方程
\[\frac{d\bp}{dt}=-e\left(\bE+\frac{\bp}{m_b}\times \bB\right)-\frac{\bp}{\tau},\]
来描述,其中$\bE$和$\bB$分别是是电场和磁场。这里我们考虑了带负电荷的粒子(比如,电子$q=-e$),而其有效质量\footnote[2]{由能带决定}$m_b$。最后一项解释了由杂质带来的耗散和弛豫。从运动方程的稳态解$d\bp/dt=0$可以得到宏观的输运性质,比如说系统的电阻率或电导率,而对于2D电子来说$\bp=(p_x,p_y)$
\renewcommand*{\thefootnote}{\arabic{footnote}}
\beqn
\nn
eE_x &=& -\frac{eB}{m_b}p_y - \frac{p_x}{\tau},\\
\nn
eE_y &=& \frac{eB}{m_b}p_x -\frac{p_y}{\tau}\ ,
\eeqn
其中我们设磁场在$z$-方向。上面的式子中,自然地出现了特征频率
\beq\label{cycl}
\omega_C=\frac{eB}{m_b}\ ,
\eeq
我们称为{\itt 回转频率},因为它标志着带电粒子在磁场中的回旋运动。通过Drude电导率,
\beq\label{Drude}
\sigma_0=\frac{n_{el} e^2 \tau}{m_b}\ ,
\eeq
我们可以把方程重写为
\beqn
\nn
\sigma_0 E_x&=&-e n_{el}\frac{p_x}{m_b}-e n_{el}\frac{p_y}{m_b}(\omega_C\tau),\\
\nn
\sigma_0 E_y&=&e n_{el}\frac{p_x}{m_b}(\omega_C\tau)-e n_{el}\frac{p_y}{m_b},
\eeqn
或者用电流密度来表示,
\beq\label{curr}
\bj = -e n_{el} \frac{\bp}{m_b}\ ,
\eeq
如果用矩阵形式来写的话,$\bE=\rho\, \bj$,电阻率张量为
\beq\label{restens}
\rho=\sigma^{-1}
=\frac{1}{\sigma_0}\left(\begin{array}{cc} 1 & \omega_C\tau\\
- \omega_C\tau & 1 \end{array}\right)=\frac{1}{\sigma_0}\left(\begin{array}{cc} 1 & \mu B\\
- \mu B & 1 \end{array}\right),
\eeq
最后一步中,像前面讲过的,将迁移率定义为
\beq\label{mobility}
\mu= \frac{e\tau}{m_b}\, .
\eeq
从前面的式子中,我们可以很快地得到Hall电阻(电阻率矩阵$\rho$的非对角元)
\beq\label{HallRes}
\rho_H= \frac{\omega_C\tau}{\sigma_0}=\frac{eB}{m_b}\tau\, \times\, \frac{m_b}{n_{el}e^2\tau}=\frac{B}{e n_{el}}\ .
\eeq
而类似的,从\eqref{restens}中,通过矩阵求逆,电导率矩阵为
\beq\label{condtens}
\sigma=\rho^{-1}=\left(\begin{array}{cc} \sigma_L & -\sigma_H\\
\sigma_H& \sigma_L \end{array}\right),
\eeq
其中$\sigma_{L}=\sigma_0/(1+\omega_C^2\tau^2)$,而$\sigma_{H}=\sigma_0\omega_C\tau/(1+\omega_C^2\tau^2)$。值得讨论的是,在理论上没有杂质的极限下,即$\omega_C\tau\to\infty$这种非常长的散射时间下电阻率和电导率的矩阵分别为
\beq\label{equ01b}
\rho=\left(\begin{array}{cc} 0 & \frac{B}{en_{el}}\\
- \frac{B}{en_{el}}& 0 \end{array}\right)\qquad {\rm \text{以及}} \qquad
\sigma=\left(\begin{array}{cc} 0 & -\frac{en_{el}}{B}\\
\frac{en_{el}}{B}& 0 \end{array}\right),
\eeq
注意到,如果我们只关注{\itt 纵向电阻率}的话,我们会得到非常反直觉的结论,即(纵向)电阻率会和(纵向)电导率同时趋于零。在干净的样品的极限$\omega_C\tau\to\infty$下,存在磁场的系统的输运性质完全由非对角元,即横向电阻率/电导率成分来描述。我们会在量子Hall系统中讨论整数量子Hall效应时再来看这一点。
\subsubsection[电阻率与电阻]{Resistivity and resistance\\\bf 电阻率与电阻}
上面对于电子输运的处理都是用Drude模型来计算有磁场下的经典耗散2D电子系统的电导率或电阻率的。然而,实验上并不能测量理论上很好计算的电导率或者电阻率,而是测量{\itt 电导}或者{\itt 电阻}。通常来说,这些量彼此之间是相关的,但是这取决于导体的几何形状——电阻$R$与电阻率$\rho$的关系为$R=(L/A)\rho$,其中$L$是导体的长度,而$A$是截面大小。从尺度变换的角度来说,一个$d$-维的导体,截面大小按照$L^{d-1}$变换,所以电阻和电阻率的尺度变换行为是
\beq\label{res_scale}
R\sim \rho L^{2-d},
\eeq
从中可以立刻发现2D导体是很特殊的。从量纲的角度来说,2D的电阻和电阻率是一样的,而且电阻是尺度不变的。这种尺度缩放的观点忽略了长度$L$和宽度$W$(2D的散射截面大小)并不非要一样:事实上,2D导体的电阻取决于所谓的{\itt 长宽比}$L/W$,前面有一个系数$f(L/W)$ \cite{montam}。然而,对于横向Hall电阻来说,长度反而是一个散射截面大小的作用,因此Hall电阻率和Hall电阻确实是一样的,即$f=1$。我们在第\ref{IQHE}章中会看到,这样的结论不仅仅在经典层面,对量子Hall效应也成立。不仅如此,量子Hall效应更不要求输运的样品有特定的几何性质,所以Hall电阻的测量十分精准(准确到$10^{-9}$)。量子Hall效应如今被用来给电阻定标。
\subsection[Shubnikov-de Haas效应]{Shubnikov-de Haas effect\\\bf Shubnikov-de Haas效应}
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=SdHRes.eps,width=12cm,clip}
\end{center}
\caption{ {\sl (a)} the Shubnikov-de Haas效应草图。超过临界磁场$B_c$之后,纵向电阻(灰色)关于磁场强度开始震荡。Hall电阻仍然是$B$的线性关系。{\sl (b)} 态密度(Density of states, DOS)。在干净的系统中,DOS包含等距分布的处于能量为$\epsilon_n=\hbar\omega_C(n+1/2)$的峰(灰色),而在有高浓度的杂质的样品中,峰会被展宽(dashed线)。连续的黑线表示对峰包括交叠部分的和,$E_F$表示费米能。}
\label{fig02}
\end{figure}
首先在强磁场下的2D电子输运实验中与量子现象相关的是1930年发现的Shubnikov-de Haas效应 \cite{SdH}。经典的电阻率张量的结果\eqref{restens}规定纵向电阻率$\rho_L=1/\sigma_0$(纵向电阻类似),与磁场无关,然而Shubnikov和de Haas发现超过某些特定的磁场强度之后纵向电阻关于磁场发生振荡,如图. \ref{fig02}(a);而Hall电阻不像纵向电阻那样振荡,仍然是$B$的线性关系,与经典Drude模型一致\eqref{HallRes}。
%\renewcommand*{\thefootnote}{\fnsymbol{footnote}}
Landau很快的解释了Shubnikov-de Haas效应是有2D电子在强磁场下能量量子化导致的。这即为{\itt Landau量子化},我们在第\ref{Landau}节会讲解。通俗的说,Landau量子化相当于对回转半径的量子化,即电子在磁场中做圆周运动的量子化。这就导致了其动能量子化为所谓的Landau能级(LLs),$\epsilon_n=\hbar \omega_C(n+1/2)$,其中$n$是整数。为了使这个量子化有效,磁场必须强到使得电子的一个完整的圆周运动周期中不会发生碰撞,即$\omega_C\tau>1$。这个条件定义了临界磁场$B_c\simeq m_b/e\tau=\mu^{-1}$(其取决于迁移率),超过它纵向电阻就开始振荡。
%\footnote[2]{译者注:原文有一个in terms of the mobility (\ref{mobility}),完全没看懂}。
注意当今的样品最高的迁移率可以达到$\mu\sim 10^{7}$ cm$^2$/Vs $=10^3$ m$^2$/Vs,从而只需要$B_c\sim 1$ mT就可以观察到Shubnikov-de Haas振荡。
%\renewcommand*{\thefootnote}{\arabic{footnote}}
这种效应可以用比Drude模型更精确一些的描述电子输运的理论模型(比如说,Boltzman输运方程)来理解。其得到电导率和扩散方程的Einstein关系,以及纵向电阻率
\beq\label{kubo}
\sigma_L=e^2 D \rho(E_F)
\eeq
表明会正比于在费米能$E_F$的态密度(DOS) $\rho(E_F)$,而不是电子密度\footnote{然而,需要注意费米能和DOS都是电子密度的函数。不仅如此,考虑到更多的细节之后,扩散系数$D$同样取决于态密度,从而取决于外磁场。这影响到了振荡的具体形式,但是并不会影响振荡的周期。} 。根据Landau量子化,洁净系统的DOS在能量处于$\epsilon_n=\hbar \omega_C(n+1/2)$时包含一系列delta峰
\[\rho(\epsilon)=\sum_n g_n \delta(\epsilon-\epsilon_n), \]
其中$g_n$则是考虑了能级简并的结果。这些峰由于真实样品的杂质而被展宽[见图. \ref{fig02}(b)],从而DOS在能级$\epsilon_n$处达到能量最大值。考虑样品内电子数恒定,由零场的费米能位置决定而不与$B$相关\footnote{实际上这是一个很粗糙的假定,因为如果态密度是磁场的函数$\rho(\epsilon,B)$,费米能则有关系式
\[\int_0^{E_F}d\epsilon\,\rho(\epsilon,B)=n_{el}. \]
然而,Shubnikov-de Haas振荡的基本形式可以在假定费米能恒定的前提下理解}。
\renewcommand*{\thefootnote}{\fnsymbol{footnote}}
当扫动磁场强度\footnote[2]{译者注:扫动——和扫频一个用法的``扫''}时,LLs的能级间距发生变化,DOS在$E_F$恰好扫过一个LL的能量的时候最大,而在$E_F$处于两个紧邻的LLs之间的时候最小。这种DOS关于磁场的振荡从\eqref{kubo}中可以得到纵向电导率(或电阻率),这是Shubnikov-de Haas效应的核心。
\renewcommand*{\thefootnote}{\arabic{footnote}}
% Notice, however, that also the expression (\ref{kubo}) is an approximation --
% indeed the proportionality (or diffusion) constant si considered, here, to be independent of the density and the magnetic field.
\subsection[整数量子Hall效应]{Integer quantum Hall effect\\\bf 整数量子Hall效应}
50年后,v. Klitzing,Dorda,和Pepper在1980年发现了量子力学在磁场下的2D电子输运性质中有一个更有力的证据:整数量子Hall效应(IQHE)\cite{KDP}。1985年的诺贝尔奖就因为v. Klitzing的这项极为重要的发现而授予了他。
IQHE的发现与材料科学的突破密切相关,直接导致了制备高品质的场效应管,从而实现了2D电子气。这些技术会在后面的一节中做简单的综述(第\ref{2DEG}节)。
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=HallCurveExp.eps,width=13cm,clip}
\end{center}
\caption{量子Hall效应的通常样子(由J. Smet, MPI-Stuttgart测量)。每一个Hall电阻的平台伴随着零纵向电阻。经典Hall电阻由dashed-dotted线表示。数字标识了平台:整数$n$表示IQHE;而$n=p/q$,其中$p$和$q$是整数,则标志了FQHE。}
\label{fig03}
\end{figure}
IQHE在极低的温度下实现,其能量尺度$k_BT$比LL的间距$\hbar\omega_C$要小得多。这个图中Hall电阻量子化了,从而不再是经典中的那种与$B$的线性关系,反而展现出了在某些特定磁场下的平台(见图. \ref{fig03})。在平台处,Hall电阻是一个常数——实际上是$e^2/h$的整数分之一
\beq\label{HallResQ}
R_H = \left(\frac{h}{e^2}\right)\frac{1}{n}\ ,
\eeq
其中$n$是整数。
\renewcommand*{\thefootnote}{\fnsymbol{footnote}}
Hall电阻的平台伴随着纵向电阻为零。这使得我们回想起Shubnikov-de Haas效应,纵向电阻同样会趋于极小值,尽管不是零。Shubnikov-de Haas最小值点的纵向电阻的趋零确实可以用来决定从Shubnikov-de Haas到IQHE的crossover\footnote[3]{译者注:有的时候会被翻译为渡越}。
\renewcommand*{\thefootnote}{\arabic{footnote}}
值得说明的是,Hall电阻的量子化\eqref{HallResQ}是{\itt 普遍}现象,即与样品的特性,比如几何尺寸啊,制备2D电子气的衬底啊,甚至杂质的浓度和分布啊都无关。这种普遍性是导致Hall电阻量子化的高精确性(通常$\sim 10^{-9}$)的原因,而且如今——自从1990年——被用来做电阻标准\footnote{角标$K$致敬v. Klitzing,而$90$表示开始使用IQHE作为电阻的单位的时间。}
\beq\label{klitz}
R_{K-90}=h/e^2 = 25\, 812.807\, \Omega,
\eeq
也被称为Klitzing常数\cite{metrology1,metrology2}。而且,在第\ref{CHE}节中已经提到的,纵向电阻趋零标志的散射时间趋于无穷[见(\ref{equ01b})式]。这是另一个标志着这个效应的普适性的现象,即IQHE并不取决于特定的杂质(或者散射体)的排列特性。
对于IQHE的详细讨论,以及杂质的贡献,请见第\ref{IQHE}章。
\subsection[分数量子Hall效应]{Fractional quantum Hall effect\\\bf 分数量子Hall效应}
在发现了IQHE的三年之后,在更高品质,即更高迁移率的2D电子系统中发现了更意想不到的现象:{\itt 分数}量子Hall效应(FQHE)。这个现象的名字就是被设立来与IQHE,即(\ref{HallResQ})式中的$n$是整数,相对的。Tsui, St\"ormer和Gossard发现了$n=1/3$\cite{TSG}的Hall量子化电阻。从唯象的角度来说,这种现象十分容易令人联想到IQHE:量子化的电阻平台,以及趋零的纵向电阻(见图. \ref{fig03},其中可以同事看到IQHE和FQHE)。1998年的诺贝尔奖授予了Tsui, St\"ormer和Laughlin,由于他们对于FQHE的实验发现和理论。
在发现了$n=1/3$的FQHE之后\footnote{$n$代表着LLs的占据数,通常有希腊字母$\nu$表示,在第\ref{Landau}节将会讨论到},物理学家们发现了大量的不同形式的FQHE,和各种理论描述。首先是$2/5$和$3/7$态(即$n=2/5$和$n=3/7$)这种$p/(2sp\pm 1)$系列,其中$s$和$p$是整数。这个系列建立了一个很有趣的解释,把{\sl F}QHE看成有电子``捕获''了偶数个磁通量子的特殊的准粒子的{\sl I}QHE,被称为{\itt 复合费米子}(CF)理论\cite{Jain1,Jain2}。这种理论的基础我们在第\ref{FQHE3}节讲述。1987年,Willet {\sl et al.}发现了另一种有趣的FQHE:$n=5/2$和$7/2$\cite{willett}——它之所以有趣是因为那时之前只有$n=p/q$中{\itt 奇数}分母的态才在单层系统中观测到了。从理论的角度,1991年Moore和Read\cite{MR},以及Greiter, Wilczek和Wen \cite{GWW}表明FQHE可能由一类非常特殊的,称为{\sl Pfaffian}的波函数来描述,其包含粒子配对和非Abel统计的任意子型激发。这些粒子由于其潜在的量子计算价值,在当今被充分的研究。任意子有关的物理性质我们在第\ref{FQHE2}节简要介绍。最后,我们会对2003年Pan {\sl et al.}\cite{Pan}的$n=4/11$FQHE做简要(而且不完全的)回顾:它不符合上述CF序列,但是却属于FQHE的一种生成CF序列而不是IQHE的CF序列。
%%% dicovered when ?
% \cite{GLM,LF_CF2,CJ}.
\subsection[石墨烯中的相对论性量子Hall效应]{Relativistic quantum Hall effect in graphene\\\bf 石墨烯中的相对论性量子Hall效应}
最近,量子Hall物理经历了另一件意料之外的事情的推导:在石墨烯——一种单原子厚的石墨层——中发现了``相对论性''量子Hall效应\cite{graph1,graph2}。石墨烯中的电子表现的好像相对论性无质量粒子一样。形式上,它们的量子力学性质不再由(非相对论性的)Schr\"odinger方程描述,而是由2D相对论性Dirac方程\cite{antonioRev}描述。而其导致的就是,对石墨烯的电子动能的Landau量子化和常规的(非相对论性的)2D电子系统不一样,我们会在第\ref{Landau}节讨论。这种``相对论性''量子Hall效应有不一样的Hall平台,其Hall电阻$R_H=h/e^2 n$中,不再是$n$为整数,而是$n=\pm 2(2n'+1)$其中$n'$为整数,即$n=\pm2, \pm6, \pm 10, ...$。序列中的正负号($\pm$)代表石墨烯中有两种对量子Hall效应载流子,电子在导带而空穴在价带。我们会在第\ref{2DEG}节简要讨论,通过场效应,我们可以很容易的改变石墨烯中的载流子特性。
相互作用有的时候会影响到其他整数Hall平台的形成,比如$n=0$和$n=\pm 1$ \cite{zhang},就不会自然地出现在$n=\pm 2(2n'+1)$的相对论性量子Hall效应序列里面。此外,最近还观察到了$n=1/3$的FQHE,尽管是在比图. \ref{fig01}(a)更为简单的几何(二端)构型中\cite{grapheneFQHE1,grapheneFQHE2}。
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\iffalse
%%%%%%%%%%%
\subsection[旋转的冷原子]{Rotating cold atoms\\\bf 旋转的冷原子}
{\red *** tbd}
%%%%%%%%
\fi
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\section[二维电子系统]{Two-Dimensional Electron Systems\\\bf 二维电子系统}
\label{2DEG}
\markboth{Introduction}{Two-Dimensional Electron Systems}
上面已经提到过,量子Hall效应的历史与制备高迁移率的2D电子系统的技术进步是密切相关的。更高的迁移率使得人们可以去探测Hall曲线的精细结构,从而看到那些不容易观察到的量子Hall态,比如奇异FQHE态(比如$5/2, 7/2$或$4/11$态)。这与光学里面追求更高的分辨率是一个意思:更高的光学分辨率就可以去观察更微小的物体。类似的,电子迁移率就相当于分辨率,微小的物体就是量子Hall态。数量级上,现今最好的2D电子气 (在GaAs/AlGaAs异质结中)的特征迁移率为$\mu \sim 10^{7}$ cm$^2$/Vs。
\subsection[场效应管]{Field-effect transistors\\\bf 场效应管}
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=MOSFETlevels.eps,width=13cm,clip}
\end{center}
\caption{ MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)。内插图{\sl I}为MOSFET的图示。{\sl (a)} $V_G=0$时的能级结构。金属部分,能带填充到费米能级$E_F$,氧化物部分绝缘。半导体部分,费米能处在能带的带隙上(价带和导带中间)。接近价带的地方,尽管比$E_F$高,仍然是受主能级(acceptor levels)。
{\sl (b)} 金属部分的化学势仍然由栅极电压$V_G$通过场效应来控制。其结果是半导体中被引入空穴,且能带向下弯曲但仍高于阈值电压。 {\sl (c)},在绝缘体界面附近的导带也被占据,从而得到了2D电子气。这种束缚势得到的是三角形结构;能级(电子的子能带)见内插图{\sl II}。
}
\label{fig04}
\end{figure}
\renewcommand*{\thefootnote}{\fnsymbol{footnote}}
首个发现IQHE的样品被称为{\itt 金属-氧化物-半导体场效应管}(MOSFET)。金属层和半导体层(通常为掺杂的硅)中间放了绝缘的氧化物(比如SiO$_2$)层(见图. \ref{fig04}的内插图{\sl I})。金属层的化学势可以通过栅极电压\footnote[2]{译者注:也叫门极电压,或门电压}$V_G$来调节。当$V_G=0$时,费米能在半导体中的位置处于能隙中,且在掺杂的受主能级之下[图. \ref{fig04}(a)]。利用正栅极电压$V_G>0$调低金属中的化学势,金属中就会流入空穴,从而通过场效应将电子从半导体中吸到半导体-绝缘体界面。这些电子占据受主能级,从而半导体靠近界面的部分的能带向下弯曲,填充的受主能级就会低于费米能[图. \ref{fig04}(b)]。
栅极电压超过某一阈值之后,半导体能带的弯曲强烈到不仅是受主能级,就连靠近界面的导带都低于费米能了,从而有一些电子填充到了上面[图. \ref{fig04}(c)]。因此我们就有了通过这种三角形的结构来获得导带中的电子的束缚势的办法,而且其动力学行为被量子化为$z$-方向的离散能级子带(见图. \ref{fig04}的内插图{\sl II})。电子波函数在$z$-方向延展,但是通常来说MOSFETs只在最低的子带$E_0$上填充\footnote[3]{译者注:因为$z$-方向长度很短,其对应的能级间隔就很高,从而任一激发能级都在费米能之上},从而电子就是纯粹的2D行为,没有在$z$-方向上的运动。
\renewcommand*{\thefootnote}{\arabic{footnote}}
通常这些系统中的2D电子密度都在$n_{el}\sim 10^{11}$ cm$^{-2}$量级,即远低于正常的金属。这实际上对于学习IQHE和FQHE很重要,因为当2D电子密度在穿过系统的磁通密度(以磁通量子$h/e$作单位)的量级$n_B=B/(h/e)$的时候,这些现象才会显著。而金属表面电子密度在$10^{14}$ cm$^{-2}$量级,这需要非常高的磁场($1000$T的量级)来实现$n_{el}\sim n_B$。
\subsection[半导体异质结]{Semiconductor heterostructures\\\bf 半导体异质结}
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=GaAslevels.eps,width=9cm,clip}
\end{center}
\caption{半导体异质结(GaAs/AlGaAs). {\sl (a)} 距离表面一定距离处引入AlGaAs层的掺杂。费米能在能隙处,位于掺杂能级处。GaAs导带比掺杂能级要低,因此掺杂层靠近界面的电子倾向于进入GaAs的导带。 {\sl (b)} 这种极化会弯曲两个半导体边界附近的能带,从而在GaAs一边形成2D电子气。}
\label{fig05}
\end{figure}
MOSFETs的迁移率通常在$\mu \sim 10^{6}$ cm$^2$/Vs的量级,其主要受限于氧化物-半导体界面的品质,而利用分子束外延生长(MBE)的半导体异质结——最主流的是GaAs/AlGaAs异质结——则克服了这项技术的困难,实现了原子精度的界面,而迁移率也达到了$\mu \sim 10^{7}$ cm$^2$/Vs的量级。这是实现FQHE所必要的迁移率,也确实在GaAs/AlGaAs样品中第一次观察到\cite{TSG}。
在(一般的)GaAs/AlGaAs中,两种半导体并没有相同的能隙:GaAs的能隙比被施主离子在距离界面一定距离处掺杂的AlGaAs小[图. \ref{fig05}(a)]。费米能因此被钉在那些AlGaAs的施主能级上,从而可能会比那些没被占据的GaAs中的导带能级更高,从而能量的角度上来讲,施主能级上的电子会倾向于去占据靠近界面处的GaAs的导带能级。从而,AlGaAs的能带就会向上弯曲,GaAs的则向下弯曲。类似于之前说过的MOSFET,这样就可以用三角约束势在GaAs侧获得2D电子气了。
\subsection[石墨烯]{Graphene\\\bf 石墨烯}
\label{SecGraph}
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=Capacitor.eps,width=7cm,clip}
\end{center}
\caption{ SiO$_2$衬底上的石墨烯示意图,背栅极用金属性掺杂的硅。石墨烯-SiO$_2$-背栅极系统可以看成由栅极电压$V_G$控制电荷密度的电容器。}
\label{fig06}
\end{figure}
石墨烯——一种单原子厚的石墨层——是一种非常新奇的2D电子系统,它可以看成是零交叠的半金属,或者零能隙的半导体,其导带和价带之间没有能隙。而如果没有掺杂的情况下,费米能就恰好处在价带导带接触的位置,其态密度线性的趋于零。
为了调制石墨烯中的费米能,通常来说会把石墨烯薄片放在$300$nm厚的SiO$_2$层上,而这SiO$_2$层又放在正掺杂的硅衬底上(见图. \ref{fig06})。这种三明治结构可以看成一个电容,其中硅层用来做背栅极(图. \ref{fig06}),电容量为
\beq\label{condenser}
C=\frac{Q}{V_G}=\frac{\epsilon_0\epsilon A}{d},
\eeq
其中$Q=en_{2D}A$是电容的电荷量,总电压$A$,栅极电压$V_G$,SiO$_2$厚度$d=300$,相对介电常数$\epsilon=3.7$。从而,场效应导致的2D载流子密度为
\beq\label{InducedDens}
n_{2D}=\alpha V_G \qquad {\rm with} \qquad \alpha\equiv\frac{\epsilon_0\epsilon}{ed}
\simeq 7.2\times 10^{10} \frac{{\rm cm}^{-2}}{\rm V}.
\eeq
栅极电压大概在$-100$到$100$ V之间,因此最大的载流子密度大概在$10^{12}$ cm$^{-2}$量级,而石墨烯自己的载流子密度是零,下一章会讲到这点。栅极电压超过$\pm 100$ V之后,电容会被击穿。
不同于半导体异质结中的2D电子气,石墨烯中的迁移率很低:通常在$\mu\sim 10^{4}-10^{5}$ cm$^2$/Vs这个数量级。然而,石墨烯样品是通过表皮剥离技术来实现的,即将石墨晶体从周围的环境下剥离下来,而最高迁移率的GaAs/AlGaAs的样品则是由非常高级的技术才能制备的。石墨烯样品的迁移率与商用的硅基元件相当。
%%%%%%%%%%%%%%%%%
\chapter[Landau 量子化]{Landau Quantisation\\\bf Landau 量子化}
\label{Landau}
\markboth{Landau Quantisation}{Landau Quantisation}
最基本的了解IQHE和FQHE的出发点是Landau量子化,即自由带电2D粒子在垂直磁场中动能的量子化。本章中,我们将会对不同形式的Landau量子化做详细介绍。我们选择了这种量子化的最一般的形式,从而能够解释非相对论性和相对论性2D粒子的诸多性质,比如能级简并和全同性。在第\ref{zeroB}节中,我们介绍没有磁场情况下的2D粒子的Hamiltonians,并讨论Schr\"odinger型和Dirac型粒子,进而在第\ref{B}节讨论非零磁场。第\ref{LL}节则讨论非相对论性和相对论性粒子的LL结构。
%%%%%%%%
\section[$B=0$下的单粒子Hamiltonian原型]{Basic One-Particle Hamiltonians for $B=0$\\\bf $B=0$下的单粒子Hamiltonian原型}
\label{zeroB}
\markboth{Landau Quantisation}{Basic One-Particle Hamiltonians for $B=0$}
在本节中,我们介绍接下来要使用的最基本的量子力学中处理方法。一般的,我们考虑平移不变的2D粒子的Hamiltonian\footnote{所有的矢量(包括量子力学中的算符)${\bf v}=(v_x,v_y)$除非特别说明,都是2D的。},即动量$\bp=(p_x,p_y)$在没有磁场下是一个运动常数。在量子力学中,这代表动量算符与Hamiltonian对易,$[\bp,H]=0$,并且动量算符提供一个好量子数。
\subsection[自由粒子的Hamiltonian]{Hamiltonian of a free particle\\\bf 自由粒子的Hamiltonian}
自由粒子的情况下,我们有非相对论形式
\beq\label{free}
H = \frac{\bp^2}{2m},
\eeq
其中粒子质量$m$。\footnote{$\bp$是常数的结论即使在相对论性粒子中都是对的。不同的是,Hamiltonian描述是取决于参考系的,因为能量并不是Lorentz不变的,即换到另一个匀速平动参考系将会使得能量变化。这使得相对论性量子力学更倾向使用Lagrangian而不是Hamiltonian。}然而我们感兴趣的是电子在某些材料(金属中,或者在半导体界面上)中的运动。粗看起来,用自由空间来描述晶体环境中的电子的运动是非常粗糙的假设。实际上,粒子在晶格中的行为并非由(\ref{free})中的Hamiltonian来描述,而是由
\beq\label{LatticeHam}
H=\frac{\bp^2}{2m} + \sum_i^N V(\br-\br_i),
\eeq
描述,其中最后一项表示格点$\br_i$上的离子实带来的静电能。显然,Hamiltonian现在是关于粒子距离粒子实位置$\br$的函数,而动量$\bp$也不再是运动常数或好量子数了。
通过Bloch定理可以解决这个问题:尽管一般的空间平移并不像自由粒子(\ref{free})的情况一样是对称性算符了,在晶格无限延展的情况下(我们这里做这种假定\footnote{尽管这看起来是标准的``理论学家的假定'',当晶体尺寸比其它任何尺寸,比如晶格距离,或者费米波长都要大时,它实际上是一个非常好的近似。}),任意格矢的平移仍然使得系统不变。类似于自由粒子的时候我们定义了动量为空间平移的生成元,现在可以定义晶格平移的生成元。这种生成元被称为{\itt 晶格动量},或者{\itt 准动量}。这种晶格平移的离散性的结果就是,不是所有的晶格动量都是物理的,只有那些在第一布里渊区(Brillouin zone, BZ)才是:任何的振动模式,无论是晶格振动或是电子波,波矢超出第一BZ的都可以用第一BZ内的某个波矢的某个模式描述。这份讲义不可能包含完整的固体物理课程,我们推荐读者关于这部分参考标准的固体物理教科书\cite{AM,kittel}。
对于(完美)晶体来说也是这样的,如果一直记得$\bp$是第一BZ种的晶格动量的话,我们可以把Hamiltonian用$H(p_x,p_y)$来表示。注意到,尽管最后的Hamiltonian经常会写成(\ref{free})的形式,其质量往往不是自由电子质量而是{\itt 有效质量}$m_b$,其由能带的特殊性质决定\footnote{比如在GaAs中,有效质量是$m_b=0.068m_0$,其中电子自由质量$m_0$。}——不仅如此,质量通常还依赖传播方向,因此一般的Hamiltonian应该写为
\[H=\frac{p_x^2}{2m_x} + \frac{p_y^2}{2m_y}\ .\]
\subsection[石墨烯中的Dirac Hamiltonian]{Dirac Hamiltonian in graphene\\\bf 石墨烯中的Dirac Hamiltonian}
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=honeycomblattice.eps,width=12cm,clip}
\end{center}
\caption{ {\sl (a)} 蜂巢晶格。三个矢量$\deltab_1$,$\deltab_2$,和$\deltab_3$将{\itt nn}碳原子连在一起,间隔$a=0.142$。三角形Bravais格子的基矢为$\ba_1$和$\ba_2$。
{\sl (b)} 倒格子为三角形晶格。原胞的格矢为$\ba_1^*$和$\ba_2^*$。阴影区域代表第一Brillouin区(BZ),中心为$\Gamma$点,两个不等价的角落$K$(黑色方块)和$K'$(白色方块)。第一BZ的深色边界表示定义中包含的部分,从而没有点被重复计算两次。从而,第一BZ的严格定义是阴影区假设深色的边界。为了完整性,我们同样展示了三个不等价的格点$M$,$M'$和$M''$(白色三角)。}
\label{fig07}
\end{figure}
上面考虑的2D晶格中的电子行为只在{\itt Bravais}晶格,即所有的格点从晶体学的角度来说都是等价的,下才成立。然而,有些晶格,比如石墨烯中碳原子的蜂巢晶格,由于价带电子的sp$^2$杂化,并不是Bravais晶格。这种时候,人们就会考虑用Bravais晶格再加上一种特定的$N_s$个格点(被称为{\itt 基元})的形式来刻画这种晶格。如图. \ref{fig07}(a)所示为蜂巢晶格的情况。比较格点A(实心圆)和格点B(空心圆)的时候,我们注意到这两者周围的原子的不同:A的最近邻是在东北,西北和南向的,而B的最近邻则是在北,西南和东南向。准确的说,晶体学上这两种格点并不等价——尽管它们化学上来说是等价的,即由同种原子或离子占据。每一个晶格的子集构成了两种{\itt 子晶格},蜂巢晶格因此可以看出三角形的Bravais晶格和一个两原子基元(即由$\deltab_3$连接的A和B格点)的组合物。
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=dispersionGraphene_comp3.eps,width=10cm,clip}
\end{center}
\caption{ 石墨烯的能带。价带和导带在两个不等价的BZ角落$K$和$K'$处相交。非掺杂的石墨烯的费米能就在这两个接触点处,在其附近能带的色散行为是圆锥形的。}
\label{fig08}
\end{figure}
为了计算有$N_s$个Bravais子格子——即$N_s$个格点的基元——的电子能带结构,必须要把一般的电子波函数用$N_s$个不同的波函数的叠加态来描述,而且要对每个子晶格满足Bloch定理\cite{AM,kittel}。严格地讲,它得用$N_s\times N_s$的矩阵来描述,而其产生$N_s$个不同的能带。有$N_s$个子晶格的晶格里面,实际上每一个子晶格都(数量上对应)有一个能带,而石墨烯的话就是有两个带,分别对应导带和价带。
倒空间中低能电子的Hamiltonian即为
\beq\label{raw}
H(\bk)=t\left(\begin{array}{cc}
0 & \gamma_{\bk}^* \\ \gamma_{\bk} & 0
\end{array}\right),
\eeq
这是用考虑最近邻hopping的紧束缚模型计算得到的,其中hopping强度为$t$。由于A格点的最近邻就是B格点,而且{\it 反之亦然},所以Hamiltonian是非对角的,而由于时间反演对称性[$H(-\bk)^*=H(\bk)$],非对角元彼此复共轭。前面讲到,在第一BZ,即图. \ref{fig07}(b)中那个六角型的区域,中的晶格动量$\bk$已然完备,而函数$\gamma_{\bk}$的准确形式会在附录\ref{TBgraphene}中作解释[(\ref{eq2:18})]。通过把Hamiltonian进行对角化,我们可以得到如图. \ref{fig08}所示的 两条能带,标记为$\lambda=\pm$。价带($\lambda=-$)与导带($\lambda=+$)在第一BZ中的不等价的两个角会接触。由于石墨烯决定低能导电性的$\pi$-轨道的电子数量和格点数量一样多,所以总的能带结构是半满的。这半满性来自于电子的自旋取向,使得$\pi$-轨道被两个电子占据。而其结果就是,除非如上一章第\ref{2DEG}节来用场效应进行掺杂,否则费米能就会与两条能带在$K$ and $K'$处相接。
图. \ref{fig08}的内插图表明了石墨烯能带的接触点$K$和$K'$附近能带色散为线性的,而这个区间足以描述关心的能量尺度\footnote{实际上,石墨烯的低能区间大概处于$10-100$meV区,而非线性的修正则在eV区才会显著。}。两个能带的圆锥形状令人想到相对论性粒子,其色散为$E=\pm\sqrt{m^2c^4 + \bp^2 c^2}$,其中光速$c$,粒子质量$m$。如果后者是零,我们就有$E=\pm c|\bp|$,与低能石墨烯的情况十分接近(图. \ref{fig08}的内插图),因此可以处理为{\itt 无质量Dirac费米子}。对石墨烯中的电子的描述我们这里取得是连续极限,但是要注意到我们实际上有两种粒子——一种$K$附近的,而一种$K'$附近的。这带来了我们称之为{\itt 谷简并}的二重简并。
石墨烯中的电子和无质量的相对论性粒子是通过相接触点$K$和$K'$附近把Hamiltonian做低能展开(\ref{raw})得到的;两个接触点的动量为$\bK$和$\bK'=-\bK$[见图. \ref{fig07}(a)],我们关心的动量$\bk=\pm \bK +\bp/\hbar$,其中$|\bp/\hbar|\ll |\bK|$。通过把函数$\gamma_{\pm \bK+\bp/\hbar}$展开到一阶,就得到了如下形式\footnote{其中,对称性要求$\gamma_{\pm\bK}=0$}
\[H=t\left(\begin{array}{cc}
0 & \nabla \gamma_{\bK}^*\cdot\bp \\ \nabla \gamma_{\bK}\cdot\bp & 0
\end{array}\right) =
v \left(\begin{array}{cc}
0 & p_x- i p_y \\ p_x+ i p_y & 0
\end{array}\right) = v \bp\cdot \sigmab\]
其中$\sigmab=(\sigma^x,\sigma^y)$为Pauli矩阵。
\[\sigma^x=\left(\begin{array}{cc} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{array}\right) , \qquad
\sigma^y=\left(\begin{array}{cc} 0 & -i \\ i & 0 \end{array}\right) \qquad {\rm \text{以及}} \qquad
\sigma^z=\left(\begin{array}{cc} 1 & 0\\ 0 & -1 \end{array}\right)\]
而我们把Hamiltonian(\ref{raw})在$K$点附近展开\footnote{在$K'$点可以得到类似的结果,见附录\ref{TBgraphene}的(\ref{DirHamKp})式。} 。费米速度$v$实际上就相当于光速$c$,只不过小了三百倍$c\simeq 300 v$。这部分的具体细节看附录\ref{TBgraphene}。上面的Hamiltonian就是标准的无质量2D粒子的形式,有的时候也被称为Weyl或Dirac Hamiltonian。
本章的剩下部分会讨论两种分别对应非相对论性和相对论性粒子的Hamiltonian
\beq\label{0BHams}
H_S=\frac{\bp^2}{2m_b} \qquad {\rm \text{和}}\qquad H_D = v\bp\cdot\sigmab\ ,
\eeq
在非零磁场下是如何进行描述的。
%%%%%%%%%
\section[非零磁场的Hamiltonian]{Hamiltonians for Non-Zero $B$ Fields\\\bf 非零磁场的Hamiltonian}
\label{B}
\markboth{Landau Quantisation}{Hamiltonians for Non-Zero $B$ Fields}
\subsection[Peierls替换与最小耦合]{Minimal coupling and Peierls substitution\\\bf Peierls替换与最小耦合}
为了描述磁场中的电子,需要用规范不变的动量形式\cite{jackson}
\beq\label{mom}
\bp \to \Pib = \bp + e\bA(\br), % =m{\\\bf v},
\eeq
其中$\bA(\br)$是磁场产生的磁矢势$\bB=\nabla\times \bA(\br)$。这种规范不变的动量正比于电子速度${\bf v}$,而电子速度是一个物理量从而自然是规范不变的。由于磁矢势$\bA(\br)$不是规范不变的,所以动量$\bp$也不是。对磁矢势加一个任意的函数$\lambda(\br)$的梯度$\bA(\br)\to \bA(\br) + \nabla \lambda(\br)$并不会改变磁场,因为梯度的旋度是零。而动量在规范变换下需要按照$\bp\to \bp - e\nabla \lambda(\br)$ 变换,来弥补差的磁矢势而保证$\Pib$是规范不变的。这种替换(\ref{mom})也被叫为{\itt 最小替换}。
当我们用格点来考虑电子的位置的时候,由于多条能带的存在,这种替换就更加微妙了。磁矢势会变得无界,即使是有限的磁场。当我们选取某个特定的规范,比如Landau规范$\bA_L(\br)=B(-y,0,0)$的时候,着看的更加清楚,磁矢势会大到$B\times L_y$,而$L_y$是系统在$y$-方向的宏观延展程度。然而,(\ref{mom})这种替换在晶格间距$a$仍然远小于{\itt 磁场尺度}
\beq\label{lB}
l_B = \sqrt{\frac{\hbar}{eB}}\ ,
\eeq
的时候仍然正确。此时我们称它为{\itt Peierls替换}。磁场尺寸是存在磁场时一个很自然的基本长度尺度。$a$大概是原子尺度($\sim 0.1$ to 10 nm),而$l_B\simeq 26\, {\rm nm}/\sqrt{B{\rm [T]}}$,这种条件,在如今的高场实验室中(连续区域$\sim 45$ T,脉冲区域$\sim 80$T),对所有的原子晶格中都成立\footnote{高磁场只能够通过{\sl 半损毁实验(semi-destructive experiments)}实现,里面的样品仍能保持使用,但是产生磁场的线圈需要替换}。
利用(Peierls)替换(\ref{mom}),由于我们已经知道没有磁场的情况,存在磁场中的带电粒子的Hamiltonian就很显然了
\[H(\bp) \to H(\Pib) = H(\bp + e\bA)= H^B(\bp,\br). \]
注意由于磁矢势的空间分布,我们得到的Hamiltonian不再是平移不变的,而(规范相关的)动量$\bp$也不是一个守恒量了。我们在Hamiltonian(\ref{0BHams})的基础下做推广,得到对于非相对论性情况
\beq\label{BHamS}
H_S^B = \frac{[\bp + e\bA(\br)]^2}{2m_b}
\eeq
而对相对论性情况
\beq\label{BHamD}
H_D^B = v[\bp +e \bA(\br)]\cdot \sigmab
\eeq
\subsection[量子力学处理]{Quantum mechanical treatment\\\bf 量子力学处理}
为了在量子力学框架下分析单电子Hamiltonian(\ref{BHamS})和(\ref{BHamD}),我们用标准的{\itt 正则量子化}\cite{CT}来处理,即把物理量用作用在Hilbert空间中的态矢量的算符来表示。这些算符彼此不对易,也就是说他们作用在态矢量上的顺序影响对系统的描述。形式上,在两个算符$\Omath_1$和$\Omath_2$中引入{\itt 对易关系}$[\Omath_1,\Omath_2]\equiv \Omath_1\Omath_2 - \Omath_2\Omath_1$。如果$[\Omath_1,\Omath_2]=0$则二者对易,反之不对易。Hamiltonian中最基本的物理量是2D坐标$\br=(x,y)$及其对应的正则动量$\bp=(p_x,p_y)$,其满足对易关系
\beq\label{canQ}
[x,p_x]=i\hbar, \qquad [y,p_y]=i\hbar \qquad {\rm \text{以及}} \qquad [x,y]=[p_x,p_y]=[x,p_y]=[y,p_x]=0,
\eeq
即坐标和其对应方向的动量不对易。这种不对易性导致了Heisenberg不等式,即人们没办法同时知道量子型粒子的坐标和动量$\Delta x\Delta p_x\gtrsim h$以及$\Delta y\Delta p_y\gtrsim h$。
对易关系(\ref{canQ})导致了规范不变的动量算符的各个分量不再对易
\beqn % \label{ComMom}
\nn
\left[\Pi_x,\Pi_y\right] &=& \left[p_x + eA_x(\br), p_y + eA_y(\br)\right] = e\left(\left[p_x,A_y\right] - \left[p_y,A_x\right]\right)\\
\nn
&=& e\left(\frac{\partial A_y}{\partial x}[p_x,x] + \frac{\partial A_y}{\partial y}[p_x,y] -
\frac{\partial A_x}{\partial x}[p_y,x] - \frac{\partial A_x}{\partial y}[p_y,y]\right),
\eeqn
其中我们用到了在两个算符的对易式是个复常数,或者某个算符自己与$\Omath_1$ 和 $\Omath_2$都对易
\cite{CT}时的如下关系\footnote{更严格的说,我们利用了多元函数的梯度在算符函数中的推广
\[[\Omath_0,f(\Omath_1,...,\Omath_J)] = \sum_{j=1}^J\frac{\partial f}{\partial \Omath_j} [\Omath_0,\Omath_j]\]
只要$[[\Omath_0,\Omath_j],\Omath_0]=[[\Omath_0,\Omath_j],\Omath_j]=0$其中$j=1,...,N$满足,这个关系就是正确的。}
\beq\label{Haus}
[\Omath_1,f(\Omath_2)] = \frac{d f}{d \Omath_2} [\Omath_1,\Omath_2]
\eeq
利用对易关系(\ref{canQ}),可以看到
\[\left[\Pi_x,\Pi_y\right] = -ie\hbar \left(\frac{\partial A_y}{\partial x} - \frac{\partial A_x}{\partial y}\right) = -ie\hbar \left(\nabla\times \bA\right)_z = -i e \hbar B,\]
用磁场尺度表示出来(\ref{lB}),
\beq\label{ComMom}
\left[\Pi_x,\Pi_y\right] = -i \frac{\hbar^2}{l_B^2}\ .
\eeq
这个式子是这一章的最基本的结论 ,值得我们对它进行更多的讨论。
\begin{itemize}
\item 如我们所料,规范不变量($\Pib$的两个分量)之间的对易式也是规范不变的。它只取决于普适的常数和磁场强度$B$,而与矢势$\bA$无关。
\item 规范不变的动量$\Pib$的分量互相{\itt 共轭},就像$x$与$p_x$,或者$y$与$p_y$那样。而$p_x$作为生成元生成了沿着$x$-方向的平移操作($p_y$生成$y$-方向的)。这里是一样的:$\Pi_x$生成了一个对规范不变动量的沿着$y$-方向的推动,而$\Pi_y$则生成了$x$-方向的。
\item 其结果就是无法同时将$\Pi_x$ {\itt 和} $\Pi_y$对角化,而不像$p_x$和$p_y$对易的零磁场中那样。
\end{itemize}
为了解Hamiltonians (\ref{BHamS})和(\ref{BHamD}),像量子力学里面的一维谐振子一样,通常使用共轭算符对$\Pi_x$和$\Pi_y$引入{\itt 阶梯算符}。量子力学课上会讲,阶梯算符就像取一维谐振子相空间的值一样,可以用位置($x$-轴)和动量($y$-轴)来表示
\[\tilde{a}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{x}{x_0} - i \frac{p}{p_0}\right) \qquad {\rm \text{以及}} \qquad
\tilde{a}^{\dagger}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{x}{x_0} + i \frac{p}{p_0}\right),\]
其中$x_0=\sqrt{\hbar/m_b\omega}$,$p_0=\sqrt{\hbar m_b\omega}$是谐振子频率$\omega$下的归一化系数\cite{CT}。由于位置$x$与动量$p$彼此是共轭变量,以及精心选取的归一化系数,我们得到了非常棒的阶梯算符对易关系$[\tilde{a},\tilde{a}^{\dagger}]=1$。
对于磁场中的2D电子气,阶梯算符实际上起到了一种{\sl 复}规范不变动量(或速度)的作用,即
\beq\label{ladder}
a = \frac{l_B}{\sqrt{2}\hbar}\left(\Pi_x - i\Pi_y\right) \qquad {\rm \text{以及}} \qquad
a^{\dagger} = \frac{l_B}{\sqrt{2}\hbar}\left(\Pi_x + i\Pi_y\right),
\eeq
其中我们同样精心选取了恰当的归一化系数从而
\beq\label{ComLad}
[a,a^{\dagger}]=1.
\eeq
同样可以将算符用阶梯算符(\ref{ladder})展开,这在后面会极大地方便运算
\beq\label{ladder1}
\Pi_x = \frac{\hbar}{\sqrt{2}l_B}\left(a^{\dagger}+a\right) \qquad {\rm \text{以及}} \qquad
\Pi_y = \frac{\hbar}{i\sqrt{2}l_B}\left(a^{\dagger}-a\right).
\eeq
%%%%%%%%%%%
\section[Landau能级]{Landau Levels\\\bf Landau能级}
\label{LL}
\markboth{Landau Quantisation}{Landau Levels}
在之前的章节里面所讨论的内容将会对计算非相对论性的(\ref{BHamS})和相对论性的(\ref{BHamD})Hamiltonian的能谱有很大帮助。而本节则着重于理解这种能谱。考虑到电子不仅携带电荷还携带自旋,每一个能级都会因此劈裂成能级差为$\Delta_Z\epsilon = g \mu_B B$的两个能级,$g$是landé$g$-因子,$\mu_B = e\hbar/2m_0$是Bohr磁子。我们忽略自旋自由度从而简化量子力学的形式以及能级结构,也就是说我们相当于在处理{\itt 无自旋费米子}。然而,自旋自由度实际上会带来很多有趣的物理问题,这值得我们特别留意。这些问题我们在第\ref{MultiC}章详述。
\subsection[非相对论性Landau能级]{Non-relativistic Landau levels\\\bf 非相对论性Landau能级}
非相对论性电子的Hamiltonian (\ref{BHamS})用规范不变动量写出来有下面的形式:
\[H_S^B=\frac{1}{2m_b}\left(\Pi_x^2 + \Pi_y^2\right).\]
很自然的可以把它与一维谐振子类比,因为$\Pi_x$与$\Pi_y$彼此共轭,且都以二次形式出现在Hamiltonian里面。如果用阶梯算符(\ref{ladder1})和对易关系(\ref{ComLad})来描述的话,很容易就得到
\beqn \label{HamLadS}
\nn
H_S^B &=& \frac{\hbar^2}{4ml_B^2}\left[a^{\dagger 2} + a^{\dagger}a + aa^{\dagger} + a^2 -\left(a^{\dagger 2} - a^{\dagger}a -
aa^{\dagger} + a^2\right)\right] \\
\nn
&=& \frac{\hbar^2}{2m l_B^2} \left(a^{\dagger}a + aa^{\dagger}\right) = \frac{\hbar^2}{ml_B^2}\left(a^{\dagger}a + \frac{1}{2}\right)\\
&=& \hbar\omega_C\left(a^{\dagger}a + \frac{1}{2}\right),
\eeqn
其中最后一步利用了电子回转频率(\ref{cycl})和磁场特征尺度(\ref{lB})的关系$\omega_c=\hbar/m_bl_B^2$。
就像一维谐振子那样,Hamiltonian(\ref{HamLadS})的本征值和本征态即由{\itt 占据数算符}$a^{\dagger}a$的本征值本征态$a^{\dagger}a |n\rangle = n |n\rangle$来完备描述。阶梯算符作用在这些态上得到如下行为\cite{CT}
\beq\label{nlad}
a^{\dagger}|n\rangle = \sqrt{n+1}|n+1\rangle \qquad {\rm \text{以及}} \qquad
a|n\rangle = \sqrt{n} |n-1\rangle,
\eeq
其中最后一步仅对于$n>0$成立——$a$ 作用在基态$|0\rangle$上得零,
\beq\label{0lad}
a|0\rangle = 0.
\eeq
这个式子能帮助我们计算最低能量本征态和构造高能量$n$的态(见第\ref{WFsym}节)
\beq\label{constrN}
|n\rangle = \frac{\left(a^{\dagger}\right)^n}{\sqrt{n!}} |0\rangle.
\eeq
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=LandauLevelsRelNR.eps,width=12cm,clip}
\end{center}
\caption{ Landau能级作为磁场的函数{\itt (a)} 非相对论性,$\epsilon_n=\hbar\omega_C(n+1/2)\propto
B(n+1/2)$. {\itt (b)} 相对论性,$\epsilon_{\lambda,n}=\lambda(\hbar v/l_B)\sqrt{2n}\propto \lambda \sqrt{Bn}$.}
\label{fig09}
\end{figure}
2D带电非相对论性粒子的能级由分立的整数$n$标志,
\beq\label{Llevels}
\epsilon_n = \hbar\omega_C\left(n + \frac{1}{2}\right).
\eeq
这些能级我们叫他{\itt Landau 能级}(LL)如图. \ref{fig09}(a)所示,显然是磁场的函数。由于回转频率与磁场强度成线性,LL自然也就与磁场强度成线性了。
\subsection[相对论性Landau能级]{Relativistic Landau levels\\\bf 相对论性Landau能级}
\label{RelLLsec}
我们用与处理非相对论性电子完全一样的办法来处理石墨烯中相对论性电子(\ref{BHamD})的行为。用阶梯算符(\ref{ladder})表示,Hamiltonian为
\beq\label{HamLadD}
H_D^B= v \left(\begin{array}{cc}
0 & \Pi_x- i \Pi_y \\ \Pi_x+ i \Pi_y & 0
\end{array}\right) = \sqrt{2}\frac{\hbar v}{l_B}\left(\begin{array}{cc}
0 & a \\ a^{\dagger} & 0
\end{array}\right) .
\eeq
注意到特征频率$\omega'=\sqrt{2}v/l_B$在这里就起到和回转频率相类似的效果。然而,这次特征频率没办法写成$eB/m_b$的样子了——对于石墨烯来说,有效质量就是零,回转频率发散\footnote{有时会认为引入一个{\itt 回转质量}$m_C$,其引入的办法是令$\omega'\equiv eB/m_C$。然而这种质量是人为引入的,从而与载流子密度相关。本讲义中不引入这个概念。}。
求解Hamiltonian(\ref{HamLadD})的本征值和本征态,首先写出本征值方程$H_D^B\psi_n = \epsilon_n \psi_n$。由于Hamiltonian是$2\times 2$矩阵,所以本征态是一个2-旋量,
\[\psi_n=\left(\begin{array}{c} u_n \\ v_n \end{array} \right),\]
从而我们需要解方程组
\beq\label{eigen}
\hbar\omega'a\, v_n = \epsilon_n \, u_n \qquad {\rm \text{以及}} \qquad \hbar\omega' a^{\dagger}\, u_n= \epsilon_n\, v_n\ ,
\eeq
对旋量的第二个分量有
\beq\label{eigen2}
a^{\dagger}a\, v_n = \left(\frac{\epsilon_n}{\hbar\omega'}\right)^2 v_n
\eeq
注意到这个分量是占据数算符的本征态$n=a^{\dagger}a$,我们在前面的小节里面已经见过了。从而我们可以得到旋量第二分量$v_n$与{\itt 非相对论性}Hamiltonian(\ref{HamLadS})的本征态$|n\rangle$最多差一个归一化系数:$v_n\sim |n\rangle$。此外还可以看到能量的平方正比于量子数$\epsilon_n^2 = (\hbar\omega')^2 n$。这个方程有正负两个解,从而得要引入另一个量子数$\lambda=\pm$来标记正负能的解。这个量子数其实也起到了在第\ref{zeroB}节中零磁场时标记能带的作用(导带$\lambda=+$,价带$\lambda=-$)。总之我们有了能谱\cite{mcclure}
\beq\label{RelLLs}
\epsilon_{\lambda,n} = \lambda \frac{\hbar v}{l_B}\sqrt{2n}
\eeq
能级如图. \ref{fig09}(b)所示。这种{\itt 相对论性Landau能级}的色散关于磁场有$\lambda\sqrt{Bn}$形式。
我们知道旋量第二分量的时候,利用(\ref{eigen})其实也同时得到了第一分量$u_n\propto a\,v_n\sim a|n\rangle \sim |n-1\rangle$。得注意的是把零能LL($n=0$)与其他能级区分开。对于$n=0$,从(\ref{0lad})看出第一分量为零,从而旋量为
\beq\label{spinN0}
\psi_{n=0} = \left(\begin{array}{c} 0 \\ |n=0\rangle \end{array}\right).
\eeq
而对于其它情况($n\neq 0$),有正负能两个解,其本征态的两个分量有一个会差负号。通常来说会使用这种旋量的表示方法
\beq\label{spinN}
\psi_{\lambda,n\neq 0} = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{c} |n-1\rangle \\ \lambda |n\rangle \end{array}\right).
\eeq
\subsubsection[相对论性Landau能级的实验观测]{Experimental observation of relativistic Landau levels\\\bf 相对论性Landau能级的实验观测}
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=LLspectroscopyGraphene.eps,width=12cm,clip}
\end{center}
\caption{ (from Sadowski {\sl et al.}, 2006 石墨烯中的LL谱). {\sl (a)} 对恒定磁场0.4 T,传输谱中共振位置关于激发的光子能量的关系。共振与相对论性Landau能级的偶极跃迁相关。{\sl (b)} 共振位置关于磁场的位置移动。{\sl (c)} 共振关于磁感应强度$\sqrt{B}$的平方根的关系,得到与理论温和的线性结果。 }
\label{fig09bis}
\end{figure}
相对论性LL可以通过传输谱的测量来发现,即我们给样品打光上去,并测量光的透过率。实验用的石墨烯是通过外延生长得到的\footnote{外延生长的石墨烯通过在SiC晶体上通过热石墨堆积而形成石墨烯\cite{berger}}\cite{sadowski},并随后进行了对衬底的剥离\cite{jiang}。如果单色光的频率和(部分)填充的LL$(\lambda,n)$与未被占据的LL$(\lambda',n\pm 1)$之间偶极跃迁频率共振了的话,光子就会被吸收,并形成两个能级之间的电磁激发[见图. \ref{fig09bis}(a)]。而注意到非相对论性2D电子气中,只有与最末的LL$n$与第一个未被占据的LL$n+1$之间存在偶极跃迁,跃迁能量为$\hbar\omega_C$,与$n$无关,因此只能观测到回转频率处单个吸收峰(回转共振)。在石墨烯中,由于导带价带两条电子能带的存在,会出现多种可能的跃迁,其能量为
\[\Delta_{n,\xi}=\frac{\hbar v}{l_B}\left[\sqrt{2(n+1)}-\xi \sqrt{2n}\right],\]
其中$\xi=+$表示同属一种能带,而$\xi=-$则反之。因此我们得到一系列共振能级,其色散关系为$\Delta_{n,\xi}\propto \sqrt{B}$,并且可以从试验中得到[见图. \ref{fig09bis}(c),结果取自Sadowski {\sl et al.} \cite{sadowski}]。注意到图. \ref{fig09bis}(c)中的虚线是根据一个拟合参数(费米$v$)得到的,与各个$n$的实验数据都吻合的很好。
\subsection[能级简并]{Level degeneracy\\\bf 能级简并}
前面的小节里面,我们了解了2D相对论/非相对论性带电粒子的$n$-Landau能级(对于相对论性粒子还有一个额外能带指标$\lambda$)。然而,我们会从下面的维度的角度看到,这个量子系统还是没有确定下来。原本的Hamiltonian(\ref{BHamS})和(\ref{BHamD})分别是{\itt 两}对共轭算符$x$与$p_x$,$y$与$p_y$的函数,而当Hamiltonian用规范不变动量$\Pib$ 或者阶梯算符$a$与$a^{\dagger}$表示出来后(\ref{HamLadS})和(\ref{HamLadD}),它们只与{\itt 一}对共轭算符相关。从原来的模型来看,我们会觉得得有{\itt 两个}相关的量子数来描述才对(对应每一个空间维度)。对于零场模型(\ref{0BHams})来说确实是这样的,量子态有两个量子数$p_x$和$p_y$,即2D动量的分量,来描述。对于量子态的完备描述也从而必须要用另外的共轭算符来描述,而且其必须与Hamiltonian对易,使得LL形成除了如自旋\footnote{只在忽略Zeeman效应下不同自旋态简并}或石墨烯的两个谷自由度等内禀自由度之外的{\itt 能级简并}。
类比规范不变动量$\Pib=\bp + e\bA(\br)$,我们考虑其{\itt 相反}的符号的组合形式
\beq\label{Pitild}
\Pibtilde= \bp - e\bA(\br),
\eeq
我们管这个算符叫{\itt 赝动量}。我们可以把动量算符$\bp$和矢势算符$\bA(\br)$用$\Pib$和$\Pibtilde$表示出来
\beq\label{inverse}
\bp = \frac{1}{2}(\Pib+\Pibtilde) \qquad {\rm \text{以及}} \qquad \bA(\br)=\frac{1}{2e}(\Pib - \Pibtilde).
\eeq
注意到,不像规范不变动量那样,赝动量是{\itt 依赖}规范的,而且因此不是一个物理量\footnote{尽管如此,我们还是会尝试在半经典的角度给它一个图像}。然而,赝动量两个分量的对易关系则是规范不变的,
\beq\label{ComPM}
\left[\Pitilde_x,\Pitilde_y\right] = i\frac{\hbar^2}{l_B^2}\ .
\eeq
这个计算和$\Pi_x$与$\Pi_y$的对易计算(\ref{ComMom})一样;当然也可以计算规范不变动量和赝动量的对易,
\beqn\label{MixedCom}
\nn
\left[\Pi_x,\Pitilde_x\right] &=& 2ie\hbar\frac{\partial A_x}{\partial x}\ ,\\
\left[\Pi_y,\Pitilde_y\right] &=& 2ie\hbar\frac{\partial A_y}{\partial y}\ ,\\
\nn
\left[\Pi_x,\Pitilde_y\right] &=& ie\hbar\left(\frac{\partial A_x}{\partial y} + \frac{\partial A_y}{\partial x}\right) =
- \left[\Pitilde_x,\Pi_y\right] .
\eeqn
赝动量与Hamiltonian不对易$[\Pitilde_{x/y},H]\neq 0$,从而这些交错的对易量会带来不物理的动力学效应——这不是我们希望的。然而,通过选取一组合适的规范,比如{\itt 对称}规范,
\beq\label{symG}
\bA_S(\br) = \frac{B}{2}(-y,x,0),
\eeq
所有的交错的对易量(\ref{MixedCom})都为零,从而赝动量与Hamiltonian也对易。
注意,矢势的规范还通常选取{\itt Landau}规范,我们上面已经提过
\beq\label{LG}
\bA_L(\br) = B(-y,0,0),
\eeq
而使得最后一个交错对易量(\ref{MixedCom})并不为零。 would not vanish. This gauge choice may even occur simpler:
because the vector potential only depends on the $y$-component of the position, the system remains then translation invariant
in the $x$-direction. Therefore, the associated momentum $p_x$ is a good quantum number, which may be used to label the
quantum states in addition to the LL quantum number $n$. For the Landau gauge, which is useful in the description of
geometries with translation invariance in the $y$-direction, the wave functions are calculated in Sec. (\ref{WFLandau}).
However, the symmetric gauge, the wave functions of which are presented in Sec. (\ref{WFsym}), plays an
important role in two different aspects; first, it allows for a semi-classical interpretation more easily than the Landau
gauge, and second, the wave functions obtained from the symmetric gauge happen to be the basic ingredient in the
construction of trial wave functions {\sl \`a la Laughlin} for the description of the FQHE, as we will see in Chap. \ref{FQHE}.
The pseudo-momentum, with its mutually conjugate components $\Pitilde_x$ and $\Pitilde_y$, allows us to introduce, in the same
manner as for the gauge-invariant momentum $\Pib$, ladder operators,
\beq\label{ladderb}
b=\frac{l_B}{\sqrt{2}\hbar}\left(\Pitilde_x + i\Pitilde\right) \qquad {\rm \text{以及}} \qquad
b^{\dagger}=\frac{l_B}{\sqrt{2}\hbar}\left(\Pitilde_x - i\Pitilde\right),
\eeq
which again satisfy the usual commutation relations $[b,b^{\dagger}]=1$ and which, in the symmetric gauge, commute with
the ladder operators $a$ and $a^{\dagger}$, $[b,a^{(\dagger)}]=0$, and thus with the Hamiltonian, $[b^{(\dagger)},H_B]=0$.
One may then introduce a number operator $b^{\dagger}b$ associated with these ladder operators, the eigenstates of
which satisfy the eigenvalue equation
$$b^{\dagger}b|m\rangle = m|m\rangle.$$
One thus obtains a second quantum number, an integer $m\geq 0$,
which is necessary to describe, as expected from the above dimensional argument,
the full quantum states in addition to the LL quantum number $n$. The quantum states therefore become tensor products of the
two Hilbert vectors
\beq\label{QstateNR}
|n,m\rangle = |n\rangle\otimes |m\rangle
\eeq
for non-relativistic particles. In the relativistic case, one has
\beq\label{QstateR}
\psi_{\lambda n,m} = \psi_{\lambda n,m}\otimes |m\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{c} |n-1,m\rangle \\ \lambda |n,m\rangle \end{array}\right)
\eeq
for $n\neq 0$ and
\beq\label{QstateN0}
\psi_{n=0,m} = \psi_{n=0}\otimes |m\rangle = \left(\begin{array}{c} 0 \\ |n=0,m\rangle \end{array}\right)
\eeq
for the zero-energy LL.
\subsection[能级简并的半经典解释]{Semi-classical interpretation of the level degeneracy\\\bf 能级简并的半经典解释}
\begin{figure}
\begin{center}
\epsfig{figure=ElDansBclass.eps,width=3cm,clip}
\end{center}
\caption{ Cyclotron motion of an electron in a magnetic field around the guiding centre $\bR$. The grey region indicates the
quantum-mechanical uncertainty of the guiding-centre position due to the non-commutativity (\ref{ComGC}) of its components.}
\label{fig10}
\end{figure}
How can we illustrate this somewhat mysterious pseudo-momentum introduced formally above? Remember that, because the pseudo-momentum
is a gauge-dependent quantity, any physical interpretation needs to be handled with care. However, within a semiclassical treatment,
the symmetric gauge allows us
to make a connection with a classical constant of motion that one obtains from solving
the classical equations of motion for a massive electron in a magnetic field,
\beq\label{EqM}
m_b\ddot{\br} = -e(\dot{\br}\times \bB) \qquad \Leftrightarrow\qquad \left\{
\begin{array}{ccc}
\ddot{x} &=& -\omega_C \dot{y}\\ \vspace*{-0.1cm}
\\
\ddot{y} &=& \omega_C \dot{x}
\end{array}
\right.
\eeq
which is nothing other than the electron's acceleration due to the Lorentz force. These equations may be integrated,
and one then finds
\beq\label{constM}
\left.
%\left\{
\begin{array}{ccc}
\dot{x} = \frac{\Pi_x}{m_b} &=& -\omega_C (y-Y)\\ \vspace*{-0.1cm}
\\
\dot{y} = \frac{\Pi_y}{m_b} &=& \omega_C (x-X)
\end{array}
\right\} \qquad \Leftrightarrow \qquad \left\{
\begin{array}{ccc}
y &=& Y - \frac{\Pi_x}{eB}\\ \vspace*{-0.1cm}
\\
x &=& X + \frac{\Pi_y}{eB}
\end{array}
\right. %,
%\right\}\ ,
\eeq
where $\bR=(X,Y)$ is an integration constant, which physically describes a constant of motion.
This quantity may easily be interpreted: it represents the centre of the electronic cyclotron motion (see 图. \ref{fig10}).
Indeed, further integration of the equations (\ref{constM}) yields the classical cyclotron motion
$$
x(t)= X-r\sin(\omega_Ct+\phi)\qquad {\rm \text{以及}} \qquad y(t)=Y+r\cos(\omega_Ct+\phi),
$$
where the phase $\phi$ is another constant of motion. The cyclotron motion itself is described by the velocities (or else
the gauge-invariant momenta) $\Pi_x/m$ and $\Pi_y/m$. Whereas the energy depends on these velocities that determine the radius $r$
of the cyclotron motion, it is completely independent of the position of its centre $\bR$, which we call {\sl guiding centre} from
now on, as one would expect from the translational invariance of the equations of motion (\ref{EqM}).
In order to relate the guiding centre $\bR$ to the pseudo-momentum $\Pibtilde$, we use Eq. (\ref{inverse}) for the vector
potential in the symmetric gauge,
$$
e\bA(\br)=\frac{eB}{2}\left(\begin{array}{c} -y \\ x\end{array}\right)=\frac{1}{2}(\Pib-\Pibtilde).
$$
The postions $x$ and $y$ may then be expressed in terms of the momenta $\Pib$ and $\Pibtilde$,
\beqn
\nn
y &=& \frac{\Pitilde_x}{eB} - \frac{\Pi_x}{eB} \\
\nn
x &=& - \frac{\Pitilde_y}{eB} + \frac{\Pi_y}{eB}\ .
\eeqn
A comparison of these expresssions with Eq. (\ref{constM}) allows us to identify
\beq\label{PM:GC}
X=-\frac{\Pitilde_y}{eB} \qquad {\rm \text{以及}} \qquad Y=\frac{\Pitilde_x}{eB}\ .
\eeq
This means that, in the symmetric gauge, the components of the pseudo-momentum are nothing other, apart from a factor
to translate a momentum into a position, than the the components of the guiding centre, which are naturally constants of
motion. In a quantum-mechanical treatment, these operators therefore necessarily commute with the Hamiltonian, as we have already
seen above. Furthermore, the commutation relation (\ref{ComPM}) between the components of the pseudo-momentum,
$[\Pitilde_x,\Pitilde_y]=i\hbar^2/l_B^2$ induces the commutation relation
\beq\label{ComGC}
[X,Y]=i l_B^2
\eeq
between the components of the guiding-centre operator. This means that there is a Heisenberg uncertainty associated with the
guiding-centre position of a quantum-mechanical state -- one cannot know its $x$- and $y$-components simultaneously,
and the guiding centre is, therefore, smeared out over a surface
\beq\label{minsurf}
\Delta X\Delta Y=2\pi l_B^2
\eeq
(see grey region in 图. \ref{fig10}).\footnote{Mathematicians speak of a {\sl non-commutative geometry} in this context, and
the charged 2D particle may be viewed as a pardigm of this concept.}
This minimal surface plays the same role as the surface (action) $h$ in phase space and therefore allows us to count the number of
possible quantum states of a given (macroscopic) surface $\Amath$,
$$N_B=\frac{\Amath}{\Delta X\Delta Y} = \frac{\Amath}{2\pi l_B^2}= n_B \times \Amath,$$
where we have introduced the flux density
\beq\label{fluxdens}
n_B= \frac{1}{2\pi l_B^2} = \frac{B}{h/e},
\eeq
which is nothing other than the magnetic field measured in units of the flux quantum $h/e$. Therefore, {\sl the number of quantum states
in a LL equals the number of flux quanta threading the sample surface $\Amath$, and each LL is macroscopically degenerate}.
We will show in a more quantitative manner than in the above argument based on the Heisenberg inequality that the number of
states per LL is indeed given by $N_B$ when discussing, in the next section,
the electronic wave functions in the symmetric and the Landau gauges.
Similarly to the guiding-centre operator, we may introduce the {\sl cyclotron variable} $\etab=(\eta_x,\eta_y)$, which determines
the cyclotron motion and which fully describes the dynamic properties. The cyclotron variable is perpendicular to the electron's
velocity and may be expressed in terms of the gauge-invariant momentum $\Pib$,
\beq\label{CyclVar}
\eta_x= \frac{\Pi_y}{eB} \qquad {\rm \text{以及}} \qquad \eta_y = - \frac{\Pi_x}{eB}\ ,
\eeq
as one sees from Eq. (\ref{constM}).
The position of the electron is thus decomposed into its guiding centre and its cyclotron variable, $\br=\bR + \etab$.
Also the components of the cyclotron variable do not commute, and one finds with the help of Eq. (\ref{ComMom})
\beq\label{ComCV}
[\eta_x,\eta_y] = \frac{[\Pi_x,\Pi_y]}{(eB)^2} = -il_B^2
=-[X,Y].
\eeq