[논문 리뷰] Quantized Ballistic Transport of Electrons and Electron Pairs in LaAlO$_3$/SrTiO$_3$ Nanowires

Anil Annadi, Guanglei Cheng외 11명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 15.

Electronic and Structural Properties of Oxides인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 도전성 원자력현미경 리소그래피를 이용해 제작한 1차원에 가까운 LaAlO₃/SrTiO₃ 나노와이어에서 전자의 양자화된 비탄성 운동과 초전도성이 아닌 전자 쌍의 비탄성 운동을 입증한다. 복잡한 산화물 2차원 인터페이스의 본질적인 낮은 이동도에도 불구하고, 1차원 기하학적 구조는 놀랍게 긴 비탄성 평균 자유로움 길이(~20 µm)를 가능하게 하며, 자기장이 11 T에 이르는 범위에서도 전자 쌍에 대해 2e²/h 단위로 전도도가 양자화됨을 보여, 불순물 산란과 질서에 대한 높은 내성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 산화물 2차원 인터페이스에서 일반적으로 낮은 이동도를 보이지만, 1차원에 가까운 LaAlO₃/SrTiO₃ 이종구조가 비탄성 운동을 지속할 수 있는지 조사하기 위해.
• 강한 자기장 조건에서 1차원 채널 내 전자 쌍의 안정성과 운동 특성 특성을 규명하기 위해.
• 차원성과 전자-전자 상호작용이 강한 상관관계를 가지는 1차원 시스템에서의 운동 특성에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 조절 가능한 전자 상관관계를 지닌 복잡한 산화물에서 1차원 양자 운동을 연구할 수 있는 새로운 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• LaAlO₃/SrTiO₃ 2차원 전자 가스 내 전자를 전기적 경계로 고립시키기 위해 도전성 원자력현미경(c-AFM) 리소그래피를 이용해 1차원에 가까운 나노와이어를 제작하였다.
• 서브밴드 충만도와 운동 양자화를 탐색하기 위해 게이트 전압과 자기장에 따른 전도도를 측정하였다.
• 전도도 양자화를 전송 확률과 서브밴드 점유도의 관점에서 설명하기 위해 Landauer-Büttiker 형식을 사용하였다.
• 전자 구조를 기술하고 수준 교차를 피하기 위해 스핀-오르빗 결합과 제이만 분리 효과를 포함한 타이트-버딩 해밀토니언 모델을 적용하였다.
• 서로 분리되지 않은 경계 조건을 가진 포텐셜을 고려해, 서브밴드 간 회피 교차를 이중 수준 효과 해밀토니언으로 피팅하였다.
• 실험적 전도도 데이터를 이론 모델과 비교하여 산란 길이와 전자 상호작용 효과를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모국 2차원 인터페이스의 낮은 이동도에도 불구하고, 1차원 LaAlO₃/SrTiO₃ 나노와이어에서 비탄성 운동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 비초전도성 전자 쌍이 1차원에서 얼마나 강한 자기장에서도 안정하게 유지되며 비탄성으로 운동할 수 있는가?
• RQ3 특히 매력적 상호작용이 존재할 경우, 전자-전자 상호작용이 1차원 시스템에서 반사 산란의 억제에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 2차원 LaAlO₃/SrTiO₃ 이종구조에 비해 1차원 기하학적 구조가 비탄성 평균 자유로움 길이를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 서브밴드 에너지 수준 간의 회피 교차는 어떻게 발생하며, 이는 경계 조건과 전자 상관관계에 대해 무엇을 드러내는가?

주요 결과

• 1차원 LaAlO₃/SrTiO₃ 나노와이어에서 비탄성 평균 자유로움 길이는 약 ~20 µm에 도달하며, 2차원 LaAlO₃/SrTiO₃ 이종구조보다 두 개 이상의 주기 길이가 길다.
• 전도도는 e²/h 단위로 양자화되며, 최저 플랫폼은 최적 조건에서 단일 모드 비탄성 채널을 나타낸다.
• 비초전도성 전자 쌍은 자기장이 11 T에 이르는 범위에서도 안정적으로 유지되며, 전도도는 2e²/h 단위로 양자화되어 비탄성으로 운동한다.
• 관측된 운동 특성은 토모나가-류타이거 액체 이론가 예측한 바와 같이 매력적 전자-전자 상호작용이 반사 산란을 억제함으로써 일어나는 것으로 일관되며, 이를 뒷받침한다.
• 서브밴드 간의 회피 교차가 관측되었으며, 이는 비분리 가능한 횡방향 경계 조건을 가진 이중 수준 효과 해밀토니언 모델로 기술되었다.
• 바riers가 없거나 한 개인 장치에서는 전도도 양자화가 관측되지 않아, 관측된 양자화가 두 개의 장벽을 가진 잘 정의된 1차원 양자와이어에서 기인함을 확인하였다.