Quantum capacitance of two-dimensional (2D) systems contains useful physical information. Here, we report a high sensitivity quantum capacitance measurement with an improved radio frequency superheterodyne bridge technique for probing the electronic characteristic of Ge/SiGe 2D hole gas (2DHG) at low temperatures and under a perpendicular magnetic field B. At low fields, a rapid decrease in quantum capacitance following B3 dependence is observed, indicating an abrupt change in chemical potential near the gate boundary at high frequencies; at high fields, a series of capacitance oscillations are observed due to the Landau quantization and Zeeman splitting of the Ge/SiGe 2DHG, where gate-dependent effective g factor under B is extracted. These results represent implementation of the high-precision capacitance measurement for exploring the physical properties of Ge/SiGe 2DHG.

1.
S. G. J.
Philips
,
M. T.
Mądzik
,
S. V.
Amitonov
,
S. L.
de Snoo
,
M.
Russ
,
N.
Kalhor
,
C.
Volk
,
W. I. L.
Lawrie
,
D.
Brousse
,
L.
Tryputen
,
B. P.
Wuetz
,
A.
Sammak
,
M.
Veldhorst
,
G.
Scappucci
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Nature
609
,
919
(
2022
).
2.
N. W.
Hendrickx
,
W. I. L.
Lawrie
,
M.
Russ
,
F.
van Riggelen
,
S. L.
de Snoo
,
R. N.
Schouten
,
A.
Sammak
,
G.
Scappucci
, and
M.
Veldhorst
,
Nature
591
,
580
(
2021
).
3.
N. W.
Hendrickx
,
D. P.
Franke
,
A.
Sammak
,
M.
Kouwenhoven
,
D.
Sabbagh
,
L.
Yeoh
,
R.
Li
,
M. L. V.
Tagliaferri
,
M.
Virgilio
,
G.
Capellini
,
G.
Scappucci
, and
M.
Veldhorst
,
Nat. Commun.
9
(
1
),
2835
(
2018
).
4.
A.
Sammak
,
D.
Sabbagh
,
N. W.
Hendrickx
,
M.
Lodari
,
B.
Paquelet Wuetz
,
A.
Tosato
,
L. R.
Yeoh
,
M.
Bollani
,
M.
Virgilio
,
M. A.
Schubert
,
P.
Zaumseil
,
G.
Capellini
,
M.
Veldhorst
, and
G.
Scappucci
,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1807613
(
2019
).
5.
A.
Dobbie
,
M.
Myronov
,
R. J. H.
Morris
,
A. H. A.
Hassan
,
M. J.
Prest
,
V. A.
Shah
,
E. H. C.
Parker
,
T. E.
Whall
, and
D. R.
Leadley
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
172108
(
2012
).
6.
M.
Lodari
,
A.
Tosato
,
D.
Sabbagh
,
M. A.
Schubert
,
G.
Capellini
,
A.
Sammak
,
M.
Veldhorst
, and
G.
Scappucci
,
Phys. Rev. B
100
,
041304
(
2019
).
7.
X. J.
Hao
,
T.
Tu
,
G.
Cao
,
C.
Zhou
,
H. O.
Li
,
G. C.
Guo
,
W. Y.
Fung
,
Z.
Ji
,
G. P.
Guo
, and
W.
Lu
,
Nano Lett.
10
,
2956
(
2010
).
9.
G.
Scappucci
,
C.
Kloeffel
,
F. A.
Zwanenburg
,
D.
Loss
,
M.
Myronov
,
J-J.
Zhang
,
S.
De Franceschi
,
G.
Katsaros
, and
M.
Veldhorst
,
Nat. Rev. Mater.
6
,
926
(
2021
).
10.
W.
Han
,
S.
Maekawa
, and
X. C.
Xie
,
Nat. Mater.
19
,
139
(
2020
).
11.
L.
Yin
,
F.
Wang
,
R.
Cheng
,
Z.
Wang
,
J.
Chu
,
Y.
Wen
, and
J.
He
,
Adv. Funct. Mater.
29
,
1804897
(
2019
).
12.
T. M.
Lu
,
C. T.
Harris
,
S. H.
Huang
,
Y.
Chuang
,
J. Y.
Li
, and
C. W.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
233504
(
2017
).
13.
J.
Jang
,
H. M.
Yoo
,
L. N.
Pfeiffer
,
K. W.
West
,
K. W.
Baldwin
, and
R. C.
Ashoori
,
Science
358
,
901
(
2017
).
14.
A. A.
Zibrov
,
E. M.
Spanton
,
H.
Zhou
,
C.
Kometter
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
, and
A. F.
Young
,
Nat. Phys.
14
,
930
(
2018
).
15.
Q.
Shi
,
E. M.
Shih
,
M. V.
Gustafsson
,
D. A.
Rhodes
,
B.
Kim
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
Z.
Papić
,
J.
Hone
, and
C. R.
Dean
,
Nat. Nanotechnol.
15
,
569
(
2020
).
16.
U.
Zondiner
,
A.
Rozen
,
D.
Rodan-Legrain
,
Y.
Cao
,
R.
Queiroz
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
Y.
Oreg
,
F.
von Oppen
,
A.
Stern
,
E.
Berg
,
P.
Jarillo-Herrero
, and
S.
Ilani
,
Nature
582
,
203
(
2020
).
17.
L.
Zhao
,
W.
Lin
,
X.
Fan
,
Y.
Song
,
H.
Lu
, and
Y.
Liu
,
Rev. Sci. Instrum.
93
,
053910
(
2022
).
18.
L.
Zhao
,
W.
Lin
,
Y. J.
Chung
,
K. W.
Baldwin
,
L. N.
Pfeiffer
, and
Y.
Liu
,
Chin. Phys. Lett.
39
,
097301
(
2022
).
19.
R.
Moriya
,
K.
Sawano
,
Y.
Hoshi
,
S.
Masubuchi
,
Y.
Shiraki
,
A.
Wild
,
C.
Neumann
,
G.
Abstreiter
,
D.
Bougeard
,
T.
Koga
, and
T.
Machida
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
086601
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.