Neue oxid-basierte zweidimensionale Elektronen- und Lochgase für die Spin-Orbitronik

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Roman Engel-Herbert; Dr. Annika Johansson
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545818886

Die Entdeckung eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) an der Grenzfläche zwischen SrTiO3 und LaAlO3 im Jahr 2004 hat den Anwendungsbereich oxidischer Heterostrukturen stark erweitert. Sie bildet die Basis zur Entwicklung innovativer Bauelementekonzepte im Bereich der Elektronik, Quantenphysik, und auch für spin-orbitronische Anwendungen. Letztgenannter Anwendungsbereich wird durch das Ausnutzen der Rashba Spin-Bahn-Kopplung (SBK) ermöglicht, ein Effekt, der an Grenzflächen auf Grund der dort gebrochenen Inversionssymmetrie auftritt. Die nötigen Materialeigenschaften zur Nutzung der SBK, nämlich große Spin-Diffusionslängen und eine effiziente Umwandlung zwischen Spin und Ladungsströmen, gelingt in SrTiO3-basierten 2DEGs allerdings nur bei niedrigen Temperaturen. Zusätzlich sind für die anwendungsrelevante Nutzung der SBK in ladungskomplementären logischen Bauelementen zweidimensionale Lochgase (2DHGs) nötig, was momentan eine große Herausforderung darstellt, da SrTiO3-basierte 2DHGs nur schwierig zu realisieren sind. In diesem Projekt werden zwei neue Arten polarer oxidischer Grenzflächen mit gebrochener Inversionssymmetrie erforscht, die das Potential haben, die oben beschriebenen Hindernisse auf dem Weg zur Anwendungsrealisierung zu überwinden, nämlich (i) BaSnO3-basierte 2DEGs, welche bei Raumtemperatur Ladungsträgermobilitäten aufweisen, die mehr als 10 mal größer sind als jene von SrTiO3-baiserten 2DEGs, und (ii) SrTiO3- und KTaO3- basierte 2DHGs. Basierend auf Tight-Binding- Modellen und der Boltzmann-Transporttheorie werden Spin- und orbitale Texturen berechnet, sowie charakteristische Spin- und orbitale Transportphänomene vorhergesagt. Die Proben werden mit atomarer Genauigkeit mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen. Wir werden die Ladungsträgerdichten und Mobilitäten der 2DEGs und 2DHGs durch Magnetotransport-Messungen ermitteln, und Rashba-SBK-Koeffizienten experimentell bestimmen und mit Ergebnissen der theoretischen Rechnungen vergleichen. Es werden zudem Bauelemente mit drei Kontakten realisiert, um die Ladungsträgerdichte der sich an den Grenzflächen ausbildenden niedrigdimensionalen Ladungsträgergasen systematisch nach einem supraleitenden Grundzustand zu untersuchen. Es werden zudem elektronische Bauelemente zur Spin-Transport-Konversion hergestellt, um Spin-Ladungs-Konversionseffizienten zu quantifizieren. Zudem werden loch- und elektronbasierte Spin-Transport -Eigenschaften in einem einzigen Bauelement vereint, um somit schließlich logische Bauelemente mit drei Kontakten zu demonstrieren, welche sowohl den Ladungs- als auch den Spin-Freiheitsgrad in elektronen- und loch-basierten 2D Gasen nutzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Agnès Barthélémy; Professor Dr. Nicolas Bergeal