Exotische korrelierte Phasen in oxidischen zweidimensionalen Elektronensystem bei ultratiefen Temperaturen

• Antragsteller: Dr. Alexander Boris, seit 6/2020
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391068461

Gegenstand dieser Studie sind Korrelations- und Spinphänomene von Elektronen an der kristallinen Grenzfläche MgZnO/ZnO. Dieses zweidimensionale Elektronensystem erfährt zunehmend Aufmerksamkeit, da seine Qualität mittlerweile dem bester Halbleiterverbindungen gleichkommt und es fraktionale Quanten-Hall-Zustände zeigt, die für auf topologischen Eigenschaften beruhende Quantencomputerkonzepte von Bedeutung sind. Ziel unseres Vorhabens ist es, das Verhalten dieses Elektronensystems bei ultratiefen Temperaturen (T < 10mK) zu untersuchen - ein bisher nicht erschlossener Bereich. Unsere Aufmerksamkeit gilt dabei insbesondere möglichen Wechselwirkungseffekten wie Ferromagnetismus, bei dem sich Elektronenspins spontan ausrichten, Nematizität, bei der sich Teilchen räumlich ungleich ordnen, und Supraleitung, bei der dissipationsloser Stromfluss stattfindet. Diese Phänomene konnten bereits in anderen hochkorrelierten Phasen beobachtet werden, so z.B. in Hochtemperatursupraleitern oder Schwer-Fermion-Systemen. In zweidimensionalen Elektronensystemen höchster Güte hingegen steht deren Beobachtung zum Teil noch aus.Bisherige Arbeiten an MgZnO/ZnO-Strukturen blieben auf den in kommerziell erhältlichen Kryostaten typischerweise zugänglichen Temperaturbereich (T > 20 mK) beschränkt. Erhebliche Modifikationen sind nötig, um zu ultratiefen Elektronentemperaturen T < 10 mK vorstoßen zu können. Wir beabsichtigen dafür, eine Zelle zu entwickeln und zu implementieren, in der die zu untersuchende Probe von flüssigem 3He bei etwa 5 mK umgeben ist. Die zusätzliche Verwendung von mit der Probe verbundenen Wärmetauschern gewährleistet den Zugang zum angestrebten Temperaturbereich. Das Ziel dabei ist die Unterdrückung thermischer Fluktuationen, die die fragilen Korrelationseffekte im System verdecken.Bei ultratiefen Temperaturen möchten wir die elektrischen Eigenschaften der Proben mittels sensibler Transportmethoden untersuchen. Zu messen ist der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von Temperatur, Magnetfeld, Ladungsträgerdichte und Kristallorientierung. Diese Parameter stehen zur Verfügung, um den elektronischen Grundzustand zu bestimmen. Wesentlich ist dabei die Feststellung der Spinpolarisation der Proben bei veränderlicher Ladungsträgerdichte (mittels Feldeffekt). Erstere kann durch Rotation der Proben im Magnetfeld kontrolliert und dabei genau quantifiziert werden. Bestehende Ergebnisse zeigen einen Anstieg der Spinpolarisation bei niedrigen Ladungsträgerdichten, was auf Quantenkritikalität hindeutet - einen Zustand, bei dem Wechselwirkungseffekte dominieren.Ergänzend planen wir, die Wechselwirkungseffekte mittels Nichtgleichgewichtsmethoden zu untersuchen. Dies beinhaltet die Beleuchtung der Proben mit Strahlung im Mikrowellenbereich, deren Photonenenergien abgestimmt sind auf typische Energieskalen in Halbleitern. Die Beobachtung von Resonanzen ermöglicht dabei ein spektroskopisches Verständnis der Proben zu erlangen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Masashi Kawasaki; Dr. Jurgen H. Smet; Professor Dr. Neil Sullivan
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Joseph Falson, bis 6/2020