Neues Tor

Feature vom 19. Juli 2023

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Strontiumtitanat (SrTiO3), ein Oxid aus Strontium und Titan mit Perowskitstruktur, weist viele vorteilhafte Eigenschaften auf, darunter Spin-Bahn-Kopplung, elektrische Abstimmbarkeit und unkonventionelle Supraleitung. Im Vergleich zur Supraleitung herkömmlicher Metalle wie Aluminium oder Niob bleibt die Supraleitung von SrTiO3 bei niedrigen Elektronendichten bestehen, bei denen sie durch Anlegen elektrischer Spannungen gesteuert werden kann.

Die einzigartigen Eigenschaften von SrTiO3 machen es zu einem vielversprechenden Material für die Entwicklung von Quantentechnologien. Allerdings erwies sich die Entwicklung dieser Geräte aufgrund des hohen Grads an Unordnung in SrTiO3-Nanostrukturen bislang als recht anspruchsvoll.

Forscher der Stanford University, des SLAC National Accelerator Laboratory und anderer Institute haben kürzlich neue Gate-abstimmbare Geräte auf Basis von SrTiO3 realisiert, die eine hohe Elektronenmobilität aufweisen. Diese Geräte, die in einem in Nature Electronics veröffentlichten Artikel vorgestellt wurden, können quantisierte Ladung transportieren, was wertvolle Auswirkungen auf die Entwicklung der SrTiO3-basierten Quantentechnologie haben könnte.

„Wir wollten lernen, wie man schmale Kanäle im Nanometerbereich in SrTiO3 herstellen kann“, sagte Evgeny Mikheev, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Tech Xplore. „Dieses Material ist sowohl technologisch als auch wissenschaftlich interessant aufgrund seiner ungewöhnlichen Supraleitung, die bei geringen Dichten durch Anlegen von Spannungen an Gate-Kontakte innerhalb von Transistor-ähnlichen Strukturen gesteuert werden kann.“

„Unser Hauptziel bestand darin, Geräte mit ausreichend geringen Mengen an Defekten und Verunreinigungen („Unordnung“) herzustellen, um in den Bereich zu gelangen, in dem Elektronen ballistisch durch eine enge Verengung fließen, ohne mit Defekten zu kollidieren. Bei sehr sauberen Proben kann dies zu einer quantisierten Ladung führen Transport durch diskrete ballistische Kanäle. Dies ist deutlich als Stufen zwischen Plateaus in den in unserer Arbeit gezeigten elektrischen Leitfähigkeitsdaten zu beobachten.“

Die von Mikheev und seinen Kollegen realisierten Geräte verfügen über ein einzigartiges Design, das sorgfältig entwickelt wurde, um einen quantisierten Ladungstransport über diskrete ballistische Kanäle zu ermöglichen. Sie basieren auf SrTiO3-2D-Elektronengaskanälen und einem Ionenflüssigkeits-Gate, getrennt durch eine dünne Hafniumoxid-Barriereschicht.

„Unsere Studie baut auf zwei früheren Arbeiten der Gruppe von David Goldhaber-Gordon auf“, erklärte Mikheev. „Das erste ist mein früherer Artikel aus dem Jahr 2021, in dem wir über eine enge Verengung in Strontiumtitanat berichteten. Sie wurde durch die Erzeugung eines 2D-Elektronengases auf der Oberfläche von SrTiO3 mit einer Technik namens Ionic Liquid Gating erzeugt. Die ionische Flüssigkeit ist lokal.“ „Abschattiert“ aus Strontiumtitanat mit einem nanostrukturierten Gate-Kontakt, wodurch die Verengung entsteht. Der Aspekt, den wir in dieser Studie verbessern wollten, war die Reduzierung von Unordnung.“

Um die Störung in SrTiO3 zu reduzieren. Mikheev und seine Kollegen entwickelten eine Lösung, die auf einer früheren Studie aufbaut, die von David Goldhaber-Gordons Gruppe unter der Leitung von Patrick Gallagher durchgeführt wurde und sich auf ionenflüssigkeitsgesteuerte SrTiO3-Geräte konzentrierte. Diese Geräte waren zu breit, um ballistische Quantisierungseffekte zu zeigen. Das Team stellte jedoch fest, dass durch das Einfügen einer sehr dünnen Schicht aus hexagonalem Bornitrid zwischen der ionischen Flüssigkeit und SrTiO3 Unordnung und Verunreinigungen in den Geräten deutlich reduziert werden konnten.

„Der von Goldhaber-Gordons Gruppe im Jahr 2015 verwendete Prozess, der auf dem Peeling dünner hexagonaler Bornitridflocken basiert, ist nicht mit dem in unserer Studie von 2021 verwendeten nanoskaligen Strukturierungsprozess kompatibel“, sagte Mikheev. „In der Arbeit von Nature Electronics konnten wir Bornitrid durch Hafniumoxid ersetzen, das durch Atomlagenabscheidung abgeschieden wurde, ein einfacherer und leichter reproduzierbarer Prozess zur Herstellung einer sehr dünnen Barriere. Der neue Prozess erreichte eine ähnliche Reduzierung der Unordnung und ermöglichte gleichzeitig.“ uns, nanoskalige Gerätefunktionen hinzuzufügen.“

Mithilfe ihrer Designstrategie konnten Mikheev und seine Kollegen Gate-abstimmbare und hochmobile Geräte auf der Basis von SrTiO3 entwickeln, die quantisierte Ladung transportieren können. Ihre Arbeit könnte in Zukunft als Blaupause für die Entwicklung neuer Nanogeräte mit Quantentransport unter Verwendung von SrTiO3 dienen, die wiederum zur Schaffung vielversprechender supraleitender oder topologischer Qubits beitragen könnten.

„Mein langfristiger Plan ist es, dieses Material zu einer Quanteninformationstechnologieplattform oder einer Komponente davon zu entwickeln“, fügte Mikheev hinzu. „Es gibt auch einige interessante ungelöste offene wissenschaftliche Fragen aus dieser Arbeit. Eine davon ist der Ursprung von ‚Y-förmigen‘ Teilbändern, die erst bei sehr hohen Magnetfeldern eine Spinaufspaltung zeigen. Dies ist ein ungewöhnliches Merkmal, das auch von beobachtet wurde.“ Jeremy Levys Gruppe an der University of Pittsburgh in einer anderen Art von Nanogerät auf Basis von SrTiO3. Wir verstehen seinen Ursprung noch nicht, hoffen aber, ihn in Folgeexperimenten aufzuklären.“

Mehr Informationen: Evgeny Mikheev et al., Ein sauberer ballistischer Quantenpunktkontakt in Strontiumtitanat, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00981-5

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