[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究展示了通过导电原子力显微镜光刻术制备的准一维LaAlO₃/SrTiO₃纳米线中电子的量子化弹道输运以及非超导电子对的输运。尽管复杂氧化物二维界面的本征迁移率较低，但一维几何结构使得弹道平均自由程显著延长（约20 µm），在高达11 T的磁场下，电子对的电导仍保持2e²/h的量子化，显示出对无序和杂质散射的强鲁棒性。

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.

研究动机与目标

• 研究准一维LaAlO₃/SrTiO₃异质结构是否能在复杂氧化物二维界面通常较低的迁移率条件下支持弹道输运。
• 确定在强磁场下1D通道中电子对的稳定性和输运特性。
• 探讨维度和电子-电子相互作用如何影响强关联1D系统中的输运行为。
• 建立一个可调电子关联性的新平台，用于研究复杂氧化物中的一维量子输运。

提出的方法

• 利用导电原子力显微镜（c-AFM）光刻术在LaAlO₃/SrTiO₃二维电子气中静电约束电子，制备准一维纳米线。
• 测量电导随栅压和磁场的变化，以探测亚能带填充和输运量子化行为。
• 采用Landauer-Büttiker理论形式化解释电导量子化，基于透射概率和亚能带占据数。
• 应用包含自旋-轨道耦合和Zeeman分裂的紧束缚哈密顿量模型，描述电子结构并避免能级交叉。
• 使用具有非可分约束势的双能级有效哈密顿量拟合亚能带之间的避能量交叉。
• 将实验电导数据与理论模型进行比较，以提取散射长度和电子关联效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管母体二维界面的迁移率较低，1D LaAlO₃/SrTiO₃纳米线是否仍能实现弹道输运？
• RQ2 在1D中，非超导电子对在多大磁场强度下仍能保持稳定并实现弹道输运？
• RQ3 电子-电子相互作用如何影响1D系统中反向散射的抑制，特别是在存在吸引相互作用时？
• RQ4 与2D LaAlO₃/SrTiO₃异质结构相比，1D几何结构在多大程度上增强了弹道平均自由程？
• RQ5 亚能带能级之间的避能量交叉如何产生？它们揭示了关于约束势和电子关联性的哪些信息？

主要发现

• 1D LaAlO₃/SrTiO₃纳米线中的弹道平均自由程达到约20 µm，比2D LaAlO₃/SrTiO₃异质结构长两个多数量级。
• 电导以e²/h为单位量子化，最低电导平台表明在最佳条件下存在单模弹道通道。
• 即使在高达11 T的磁场下，非超导电子对仍保持稳定并实现弹道输运，电导保持2e²/h的量子化。
• 观测到的输运行为与吸引电子-电子相互作用抑制反向散射的预测一致，符合Tomonaga-Luttinger液体理论。
• 通过双能级有效哈密顿量模型观测并拟合了亚能带之间的避能量交叉，表明横向约束具有非可分特性。
• 零或一个势垒的器件未表现出电导量子化，证实观测到的量子化源于具有两个势垒的明确1D量子线。