[論文レビュー] Quantized Ballistic Transport of Electrons and Electron Pairs in LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ Nanowires

Anil Annadi, Guanglei Cheng+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、導電性原子間力顕微鏡リソグラフィーを用いて作製された一様一次元LaAlO₃/SrTiO₃ナノワイヤーにおいて、電子の量子化されたバルスン輸送および非超伝導的電子対の輸送を実証した。複雑酸化物2次元界面に本来的に低い移動度があるにもかかわらず、1次元幾何学的配置により、顕著に長いバルスン平均自由行程（約20 µm）が達成され、磁場が11 Tに達するまで電子対の conductance が2e²/hで量子化されている。これは、不純物散乱や不規則性に対して極めて強い耐性を示していることを示している。

ABSTRACT

SrTiO$_3$-based heterointerfaces support quasi-two-dimensional (2D) electron systems that are analogous to III-V semiconductor heterostructures, but also possess superconducting, magnetic, spintronic, ferroelectric, and ferroelastic degrees of freedom. Despite these rich properties, the relatively low mobilities of 2D complex-oxide interfaces appear to preclude ballistic transport in 1D. Here we show that the 2D LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ interface can support quantized ballistic transport of electrons and (non-superconducting) electron pairs within quasi-1D structures that are created using a well-established conductive atomic-force microscope (c-AFM) lithography technique. The nature of transport ranges from truly single-mode (1D) to three-dimensional (3D), depending on the applied magnetic field and gate voltage. Quantization of the lowest $e^2/h$ plateau indicate a ballistic mean-free path $l_{MF}\\sim$ 20 $\\mu$m, more than two orders of magnitude larger than for 2D LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ heterostructures. Non-superconducting electron pairs are found to be stable in magnetic fields as high as $B=11$ T, and propagate ballistically with conductance quantized at 2$e^2/h$. Theories of one-dimensional (1D) transport of interacting electron systems depend crucially on the sign of the electron-electron interaction, which may help explain the highly ballistic transport behavior. The 1D geometry yields new insights into the electronic structure of the LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ system and offers a new platform for the study of strongly interacting 1D electronic systems.

研究の動機と目的

• 複雑酸化物2次元界面に特徴的な低移動度であるにもかかわらず、準一次元的LaAlO₃/SrTiO₃ヘテロ構造がバルスン輸送を支持できるかどうかを調査すること。
• 強い磁場下における1次元チャネル内での電子対の安定性および輸送特性を特定すること。
• 次元性および電子-電子相互作用が強相関1次元系における輸送に与える影響を明らかにすること。
• 電子相関が調整可能な複雑酸化物における1次元量子輸送を研究するための新たなプラットフォームを確立すること。

提案手法

• LaAlO₃/SrTiO₃2次元電子ガス内で電子を静電的に閉じ込めるために、導電性原子間力顕微鏡（c-AFM）リソグラフィーを用いて準1次元ナノワイヤーを形成した。
• サブバンドの充填状態と輸送量子化を調べるために、ゲート電圧および磁場の関数としての conductance を測定した。
• Landauer-Büttiker形式を用いて、輸送量子化を透過確率およびサブバンド占有状態の観点から解釈した。
• スピン軌道結合およびゼーマン分裂を含むタイトバインディングハミルトニアンモデルを適用し、準位のクロスイングを回避した。
• 分離不能な横方向閉じ込めポテンシャルを考慮した2準位有効ハミルトニアンを用いて、サブバンド間の避けられたクロスイングをフィッティングした。
• 実験的 conductance データと理論モデルを比較し、散乱長および電子相互作用効果を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 親2次元界面の低移動度であるにもかかわらず、1次元LaAlO₃/SrTiO₃ナノワイヤーでバルスン輸送が達成可能であるか？
• RQ2 非超伝導的電子対が1次元でバルスン輸送を維持できる最大の磁場強度は何か？
• RQ3 電子-電子相互作用は、特に引力的相互作用がある場合に、1次元系における逆散乱の抑制にどのように寄与するか？
• RQ4 2次元LaAlO₃/SrTiO₃ヘテロ構造と比較して、1次元幾何学的配置がバルスン平均自由行程をどの程度向上させるか？
• RQ5 サブバンドエネルギー準位の避けられたクロスイングはどのように生じるのか？また、それらは閉じ込めポテンシャルおよび電子相関について何を明らかにするか？

主な発見

• 1次元LaAlO₃/SrTiO₃ナノワイヤーにおけるバルスン平均自由行程は約20 µmに達し、2次元LaAlO₃/SrTiO₃ヘテロ構造と比較して2個以上のオーダーも長い。
• conductance は e²/h の単位で量子化されており、最低のプラトーは最適条件下で1モードのバルスンチャネルを示している。
• 非超伝導的電子対は、磁場が11 Tに達するまで安定に保たれ、conductance が2e²/hで量子化されている。
• 観測された輸送挙動は、トモナガ＝ラッティンガ液体理論が予測するように、引力的電子-電子相互作用が逆散乱を抑制していることを示しており、整合的である。
• サブバンド間の避けられたクロスイングが観測され、非分離可能な横方向閉じ込めを示す2準位有効ハミルトニアンを用いてモデル化された。
• ゼロまたは1つの障壁を持つデバイスでは conductance の量子化が観測されず、観測された量子化が明確に定義された1次元量子ワイヤーに起因することを確認した。