The superconductor-insulator-transition in the LaAlO3-SrTiO3 electron system : tunneling and field effect investigations

Abstract

The work described in this thesis investigated the superconductor-insulator- and BKT-transitions in a two-dimensional superconductor based on transition-metal oxides: the electron system at the LaAlO3-SrTiO3 interface. Thin films of insulating LaAlO3 grown onto insulating SrTiO3 substrates exhibit a two-dimensional electron system (2DES) with a superconducting ground state at the interface of the two materials. The ground state can be switched from superconducting to insulating behavior by application of a gate voltage. Therefore it is a useful tool for the investigation of these phase transitions. Additionally, LaAlO3-SrTiO3 exhibits a phase similar to the cuprate pseudogap phase in which electron transport is resistive, but a gap can be observed in the density of states in tunneling experimentswhich is not explicable by the standard BCS theory of superconductivity. The phase transitions were investigated by two complimentary pathways: by tunneling experiments on backgated samples and through the construction of superconducting transistors in which the electron system is influenced by the application of topgate voltages.

Die vorliegende Arbeit beschreibt Untersuchungen der Supraleiter-Isolator- und BKT- Phasenübergänge in einem zweidimensionalen Supraleiter aus Übergangsmetall-Oxiden: dem Elektronensystem an der LaAlO3-SrTiO3 -Grenzfläche. Dünne Schichten des Isolators LaAlO3, welche epitaktisch auf Substrate aus dem Isolator SrTiO3 gewachsen werden, erzeugen ein zweidimensionales Elektronensystem (2DES) an der Grenzfläche der beiden Materialien. Der Grundzustand kann mittels einer Gate-Spannung von Supraleiter zu Isolator umgeschaltet werden. Daher ist das Grenzflächen-2DES ein nützliches Instrument zur Untersuchung dieser Phasenübergänge. Zudem zeigt LaAlO3-SrTiO3 eine Phase, welche der Pseudogap-Phase in den Kupferoxid-Supraleitern ähnlich ist: In dieser Phase wird ein endlicher Widerstand für den Transport von Elektronen gemessen, aber Tunnel-Experimente zeigen eine Lücke in der Zustandsdichte der Elektronen. Diese Beobachtungen sind in der gewöhnlichen Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) - Theorie der Supraleitung nicht zu erklären. Die Phasenübergänge wurden mittels zweier komplementärer Methoden untersucht: Einerseits durch Tunnel-Experimente an Proben mit Gate-Elektroden an der Rückseite und andererseits durch die Konstruktion supraleitender Transistoren, in denen das Elektronensystem durch eine Gate-Spannung an der Oberfläche kontrolliert wird.