PILLAR: Dynamik in mesoskopischen Säulen aus quasi-zweidimensionalen Elektronensystemen

• Antragsteller: Professor Dr. Philip Moll
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501654252

Van-der-Waals gebundene Materialien überraschen uns als Füllhorn neuer Physik und neuartiger Anwendungen. Mit Graphen als bekanntestem Beispiel eines durch einfache Spaltung gewonnenen quasi-2D (q2D) Elektronensystems, sind doch mittlerweile unzählige interessante magnetische, metallische, isolierende oder supraleitende Schichtsysteme bekannt und werden aktiv untersucht (z.B. Übergangsmetall-dichalcogenide).Dieses zweidimensionale Limit solcher stark anisotroper Materialien (z.B. Graphit) ist gut untersucht. Da die Kristalle dieser Materialien 3D Festkörper sind, ist jedoch klar, dass neben dem q2D auch noch ein q1D Limit versteckt sein muss (3D=q2D+q1D). Dieses Limit zu untersuchen ist das Hauptziel des Projekts “PILLAR”: Tausende mesoskopischen (<1micron) q2D Flocken werden zu einer Säule gestapelt sodass die Elektronenbewegung in der Ebene stark beschränkt, die dritte Dimension jedoch dem unendlichen Kristall entspricht. Man kann sich eine solche Säule als eindimensionale Kette aus schwach gekoppelten Quanteninseln vorstellen, die einen ortsabhängigen Tunnelkoeffizienten aufweisen. Die Herstellung dieser Säulen mit mechanischen Methoden ist unmöglich. Der Mechanismus der Bindungsanisotropie, der die Gewinnung von q2D Flocken per Klebeband so leicht gestaltet, bekämpft die Herstellung der Säulen, die stark zur Spaltung neigen. Wir überwinden dieses Problem mit fokussierter Ionenstrahllithographie, einer Kernkompetenz unserer Forschungsgruppe. Durch diese kinetische Verarbeitung sind wir in der Lage, diese Säulen aus 3D Kristallen auszuschneiden und Quantentransport an ihnen zu untersuchen. Hierbei geht es konkret um 3 Fragestellungen:1) Wir erwarten ein neues mesoskopisches Quantentransport-regime in den Säulen, charakterisiert durch den kohärenten Transport delokaliserter Elektronenwellen entlang der Säule. Dieser Transport wird ähnlich zum Aharonov-Bohm-Effekt durch Magnetfelder periodisch beeinflusst, ein Effekt den wir letztes Jahr im Schichtmetall PdCoO2 nachweisen konnten. Ist dieses Verhalten speziell für die spezifische atomare Anordnung in diesem Material, oder eher ein allgemeines Phänomen in Schichtstrukturen? Wir werden Säulen aus Graphit und Sr2RuO4 untersuchen.2) Bloch-oszillationen wurden im dc-transport in Metallen noch nie beobachtet. Die Säulen haben hier einen kritischen Vorteil: Durch starke Magnetfelder werden wir den Transport entlang der Säule Landau-quantisieren, was einen seltenen Zustand sehr flacher, q1D Bänder erzeugt (10meV Bandbreite). Dies sind ideale Voraussetzungen für Bloch-oszillationen.3) Die extreme Transportanisotropie der Säulen ist auch für optische Anwendungen interessant. Insbesondere sind diese Proben optisch transparent trotz ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Obwohl die extrem schwierige Herstellung eine technologische Anwendung aktuell verunmöglicht, werden wir die optische Transparenz ausmessen und mit den aktuellen Materialien (ITO) vergleichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen