Microwave investigations on SrTiO3-based materials at mK temperatures

Abstract

Strontiumtitanat (STO) ist ein Halbleiter, der unter einer bestimmten n-Dotierung bei Milli KelvinTemperaturen (mK) einen Phasenübergang in den supraleitenden Zustand aufweist. Es war damit einer der ersten ”supraleitenden Halbleiter” und zugleich der erste Oxid-Supraleiter, der unter anderem die mit dem Nobel-Preis 1987 ausgezeichnete Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern vorantrieb. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal ein sogenanntes dome-förmiges Verhalten als Funktion der Dotierung festgestellt, welches durch eine Reduktion an Sauerstoffatomen oder eine Ersetzung von Titanatomen durch Niobatome (Nb-STO) erzielt wird. Die hierfür benötigten Ladungsträgerdichten und die damit verbunden Energieskalen sind verhältnismäßig klein und schränken damit die Anzahl an möglichen Kopplungsmechanismen der Cooperpaare erheblich ein. Dies ist nicht in Einklang mit der BCS-Theorie zu bringen und bis zum heutigen Tag nicht vollständig verstanden, weshalb STO ein aktuelles Forschungsthema darstellt. An der Grenzschicht zu Lanthan Aluminiumoxid (LAO) weist STO ein zweidimensionales Elektronengas extrem mobiler, freier Ladungsträger auf, das ebenfalls einen supraleitenden Ubergang bei mK- Temperaturen zeigt. Wie auch in STO selbst ist die Supraleitung dort dome-förmig und entstammt mehreren elektronischen Bändern. Diese Arbeit soll unter anderem auch zum Verständnis der Supraleitung an der LAO-STO-Grenzschicht beitragen. Hierfür sollen die elektronischen Bandeigenschaften und mit besonderem Schwerpunkt die effektiven Massen der bei mK-Temperaturen zur Supraleitung beitragenden Elektronen untersucht werden. Zur direkten Messung dieser bietet sich die Methode der Zyklotronresonanz an, bei der durch ein extern angelegtes Magnetfeld Leitungselektronen in definierte Laundauniveaus gequantelt werden und deren Ubergang mit entsprechenden Energien im µeV-Bereich angeregt wird. Eine der Hauptherausforderungen dieser Messmethode liegt in der Notwendigkeit einer höheren Messfrequenz als die Streurate, was nur für sehr reine Metalle im genannten Energiebereich erreicht werden kann. Die hierzu nötige Mikrowellenstrahlung wird mittels koplanarer und streifenleitenden Wellenleitern übertragen und deren Transmissionssignal analysiert. Um ein entsprechendes, der Zyklotronresonanz zuzuschreibendes Messsignal vorzufinden, wurden mehrere Experimente durchgeführt. Eines von diesen beinhaltet Anzeichen eines Zyklotron-Messsignals. Obwohl dieses Ergebnis nicht reproduziert werden konnte und damit dessen Verlässlichkeit in Frage zu stellen ist, gingen Messwerte aus dieser hervor, die effektive Massen zwischen 3 und 4 Elektronenmassen und Streuraten zwischen 9 und 10 GHz ergaben, was mit publizierter Literatur in Einklang steht. Außerdem wurden Messungen der komplexen, optischen Leitfähigkeit innerhalb des supraleitenden domes von Nb-STO durchgeführt. Mit diesen ist es möglich, zwei zur effektive Masse korrelierte Kohärenzlängen zu bestimmen und dadurch das Verhältnis beider Massen der zur Supraleitung beitragenden Elektronen zu bestimmen. Darüber hinaus wurden diese Daten noch genutzt, um einige andere charakteristische Eigenschaften wie die mittlere, freie Wegl¨ange, die Fermigeschwindigkeit von beiden supraleitenden Bändern und die suprafluide Dichte zu bestimmen. Letztere wurde zur Berechnung der London’schen Eindringtiefe und des Ginzburg-Landau-Parameters genutzt, die die Zugehörigkeit zur Klasse der Typ-II-Supraleiter von Nb-STO bestätigen. Des Weiteren legt der Vergleich der Kohärenzlänge mit der mittleren freien Weglänge und die Einordnung von Nb-STO in das Home’sche Gesetz ein dirty limit-Verhalten für Supraleiter nahe. All diese Eigenschaften sind starke Anzeichen für ein Mehrband-Supraleiter mit lediglich einer Energielücke in Nb-STO.