Nachweis von feld-steuerbaren Oberflächenpolaritonen in Dünnschicht-LaAlO3/SrTiO3 Grenzflächen

• Antragsteller: Dr. Felix Gunkel; Professor Dr. Thomas Taubner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522417350

In diesem Fortsetzungsantrag sollen neuartige Oberflächen-Polaritonen untersucht werden, die an atomar-kontrollierten Oxid-Grenzflächen entstehen. Oberflächen-Polaritonen ermöglichen starke Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie auf der Nanoskala, die in klassischen Systemen nicht zugänglich sind, und haben breite Anwendungsmöglichkeiten in nanooptischen und polaritonischen Bauelementen. In der ersten Projektperiode dieses Antrags konnten wir ein grundlegendes Verständnis der optischen Nahfeld- Wechselwirkung von Licht und 2-dimensionalen Elektronengasen an Oxid-Grenzflächen erzielen und die zugrundeliegende ionische Struktur der Grenzflächen im Detail aufklären. Basierend auf diesen Ergebnissen ist es uns nun möglich, die polaritonischen Eigenschaften der Elektronengase zu untersuchen. Hauptziel dieser zweiten Projektphase ist der eindeutige Nachweis von Oberflächen- Polaritonen in diesen Systemen sowie die Charakterisierung und Modellierung der Dispersionsrelation dieser neuartigen Polaritonen. Darüber hinaus soll die Ladungsträgerkonzentration und vertikale Verteilung der Elektronengase systematisch über einen elektrischen Feldeffekt kontrolliert werden, so dass zu erwarten ist, dass auch die polaritonischen Eigenschaften der Grenzflächen über den elektrischen Feldeffekt steuerbar sein könnten. Der Nachweis eines polaritonischen Feldeffektes soll im Rahmen des vorgeschlagenen Fortsetzungsantrags erzielt werden. Dazu sollen LaAlO3/SrTiO3- Doppellagen untersucht werden, die von der (Dünnschicht-)Rückseite angesteuert werden können. In dieser Probengeometrie ist zu erwarten, dass die erforderliche Gate-Spannung von herkömmlicherweise Hunderten Volt auf wenige Volt bis hin zum mV- Regime reduziert werden kann. Für das Elektronensystem an dieser Doppellagen-Grenzfläche ergeben sich weiterhin neue Fragestellungen zur Wechselwirkung zwischen wachstumsinduzierter Defektstruktur und Elektronentransport, die ebenfalls im Folgeprojekt untersucht werden soll. In gezielten Vorarbeiten zu diesem Fortsetzungsantrag konnten wir neben dem grundlegenden Verständnis der optischen Eigenschaften der Elektronengase bereits erste Indikationen für die Existenz von Oberflächen-Polaritonen an LaAlO3/SrTiO3 Grenzflächen erzielen und nachweisen, dass wir das Elektronensystem auch an epitaktischen Doppellagen in ausreichender Qualität herstellen können. Darauf aufbauend sollen im Fortsetzungsantrag Feldeffekt-Devices realisiert werden und anschließend mittels nanooptischer Rastersonden-Mikroskopie charakterisiert und modelliert werden. Der angestrebte Nachweis feld- steuerbarer Oberflächen-Polaritonen an LaAlO3/SrTiO3 verspricht einen signifikanten Schritt zur Realisierung nanooptischer Oxid-Bauelemente und ein grundlegend verbessertes Verständnis von nanoskopischer Licht-Materie-Wechselwirkungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen