Kontrollierter Übergang von 2D zu quasi 1D korrelierten Elektron-Systemen mittels gezielter Oberflächengestaltung in Oxid-Heterostrukturen

• Antragsteller: Dr. Dirk Fuchs; Dr. Roland Schäfer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321938814

Transporteigenschaften niedrigdimensionaler Systeme sind ein faszinierendes Forschungsfeld der Festkörperphysik. Werden die Raumdimensionen eingeschränkt, treten neuartige elektronische Quantenzustände auf, die beispielsweise durch den verstärkten Einfluss von Fluktuationen, Korrelationen und Unordnung in reduzierten Dimensionen begünstigt werden. Zum Beispiel hat die Entdeckung von zweidimensionaler (2D) Supraleitung, bei gleichzeitigem Auftreten von Magnetismus, sowie multipler Quantenkritikalität an der Grenzfläche zwischen den Band-Isolatoren LaAlO3 (LAO) und SrTiO3 (STO), viel Beachtung gefunden. Die elektrischen Transporteigenschaften des niedrigdimensionalen stark korrelierten Elektronensystems, das sich an dieser Grenzfläche ausbildet, zeigen in der Regel ausgeprägt anisotrope Eigenschaften, die zurzeit viel diskutiert werden und noch weitgehend unverstanden sind. Neben der extrinsischen Defektstreuung wird eine intrinsische Phasenseparation als mögliche Ursache für die Anisotropie der Transportkoeffizienten vermutet. Neueste Ergebnisse unserer Arbeitsgruppe zeigen eine starke Korrelation der supraleitenden Eigenschaften mit der Orientierung der Terrassenstruktur der TiO2-terminierten Oberflächen, die sich aufgrund des unvermeidlichen Fehlschnittes der STO-Substrate stets ausbildet. Wir beobachten, dass die Supraleitung bevorzugt entlang der Stufen zwischen den Terrassen auftritt, was eine weitere Reduktion der Dimensionalität hin zu quasi 1D Supraleitung nahelegt. Dabei wird die Dimensionalität durch das Verhältnis zwischen der supraleitenden Kohärenzlänge und der Terrassenbreite, die unmittelbar durch den Fehlschnitt des STO-Substrates gegeben ist, bestimmt.Das Ziel unseres Projekts ist es, durch gezielte Variation der Terrassenbreite w die Anisotropie der Transporteigenschaften der STO-basierten 2D-Elektronensysteme zu verändern. Die Variation von w wird durch eine Änderung des vizinalen Fehlschnittes der STO-Substrate erreicht. Der erwartete Übergang von 2D zu quasi 1D wird Auswirkungen auf die Symmetrie und die Quantenfluktuationen haben, und damit auch die Rashba-artige Spin-Bahn-Kopplung und das supraleitende Verhalten des korrelierten Elektronensystems beeinflussen. Das langfristige Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, diese Aspekte im Detail zu studieren, wobei wir neben dem polaren LAO/STO-System auch das nahezu unpolare a-Al2O3/STO-System (amorphes Al2O3 auf STO) untersuchen, bei dem wir kürzlich ebenfalls 2D-Supraleitung nachweisen konnten. Die Kontrolle der Anisotropie ermöglicht es uns, eine systematische Untersuchung des Übergangs von 2D- zu quasi 1D-Transport in korrelierten Elektronensystemen durchzuführen. Die Möglichkeit die Dimensionalität mittels w zu variieren gestattet es, resistive Zustände im Übergangsbereich von 2D zu quasi 1D Supraleitern zu Untersuchen und neue Erkenntnisse hinsichtlich den elementaren topologischen Anregungen in diesem Regime zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen