钛酸锶电子系统中应变效应的量子输运研究

Correlated oxide nanoelectronics combines the paradigms of correlated oxides and semiconductor nanoelectronics, showing great potential for quantum technology applications. As the material platform for correlated nanoelectronics, the electronic and structural properties of SrTiO3 based electron systems, especially the LaAlO3/SrTiO3 interface, are of vital importance for implementing quantum technologies. Two issues remain unsolved, however. Firstly, the spontaneous formation of ferroelastic domain walls in SrTiO3 limits the uniformity and carrier mobility. Secondly, the electron pairing mechanism for superconductivity remains unknown for half a century, which hinders the understanding of the system Hamiltonian in solid state quantum simulation. In this proposal, we use strain as a parameter to study the domain wall dynamics and electron pairing mechanism. Specifically, we fabricate SrTiO3 quantum devices using a conductive atomic force microscope tip and study the strain effects on ferroelastic domain wall distribution, carrier mobility and electron paring. We expect an enhanced mobility by strain tuning and uncover possible pairing mechanisms in SrTiO3.

关联氧化物纳米电子学结合了关联氧化物与半导体纳米电子学两个领域及其优势，很有可能为量子技术应用提供一条捷径。基于钛酸锶(STO)的低维电子系统（尤其是铝酸镧/钛酸锶复杂氧化物界面）是关联氧化物电子学的材料载体，因此关于其材料物性的研究对量子技术的实现至关重要。两个方面的问题亟待解决。首先低温下三种铁弹畴的自发出现使得STO界面体系充满畴壁，影响界面均匀性及电子迁移率。其次半个世纪以来，STO中的超导配对机制仍然不清楚，限制了固体量子模拟中对体系哈密顿量的理解。在本项目中，我们提出利用材料应变作为参数来研究铁弹畴动力学与电子配对机制。我们利用原子力显微镜制备单电子晶体管等量子器件，通过其量子输运来研究应变对铁弹畴分布、材料迁移率、电子配对能量、电-铁电声子耦合等物理量的影响。我们预期应变可以提高迁移率并揭开双极化子与负U中心等可能电子配对机制的面纱。

关联氧化物界面上丰富的电子关联性质可能在未来量子技术发展中得到广泛应用，进而推动氧化物界面成为通用量子模拟平台。在铝酸镧/钛酸锶（LAO/STO）界面上，这些丰富的性质可以被一根导电原子力显微镜(cAFM)探针编程至纳米尺度。然而，一个长期困扰的问题是：为什么cAFM技术制备出来的纳米器件的性质跟二维界面不同，甚至全面提升？ 在本项目中我们致力于寻找答案，研究界面铁弹畴与cAFM纳米器件的关系，并且用应变来调控界面性质。我们总共取得五个方面的重要结果。首先通过近2000片外延材料生长，得到了超级干净的LAO/STO氧化物界面，其迁移率可以达到创纪录的30,000 cm2/Vs。在这种样品上，我们首次观测到了极低磁场下的反常量子振荡，并且揭示其起源为一维铁弹畴畴壁上超轻载流子。这种载流子受时间反演对称性保护，可能是cAFM量子器件性质优越的原因。我们其次通过热激励下的电输运揭示了cAFM纳米线的本源是一维铁弹畴畴壁，从而与前一个工作深度契合。最后，我们成功搭建了应变装置，扫描微波阻抗显微镜与极低温扫描探针显微镜，初步看到应变对迁移率与载流子浓度的重要调控作用。我们通过这个项目的研究，催生了一批极低温的仪器技术，指标达到世界领先水平。同时增加了对cAFM纳米器件与关联氧化物界面的理解。这些成果对关联氧化物界面解释电子配对、弹道输运、强自旋轨道耦合效应以及这些效应在量子技术上的应用至关重要。