Wechselspiel zwischen Ferroelektrizität und Supraleitung

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Hemberger; Professor Dr. Thomas Lorenz
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407166196

Unter dotierten Halbleiterm mit supraleitendem Grundzustand nimmt SrTiO3 (STO) eine Sonderstellung ein: Das System wird supraleitend mit nur 10-5 Elektronen pro Formeleinheit (f.u.) ! Übersteigt die Ladungsträgerdichte 0.02/f.u. verschwindet die Supraleitung wieder. Hierdurch stellen sich unmittelbar zwei bisher unbeantwortete Fragen: Wie überlebt die Supraleitung im Grenzfall verdünnter Ladungsträger trotz der invertierten Hierarchie elektronischer und phonischer Energieskalen? Und warum verschwindet die Supraleitung trotz kontinuierlicher Zunahme der elektronischen Zustandsdichte? Das isolierende Ausgangsmaterial STO ist ein Quanten-Paraelektrikum, welches unter geringer Substitution von Sr durch Ca ferrolektrisch wird. Wie kürzlich von den Projektpartnern entdeckt wurde, können beide Ordnungsphänomene Ca- und Ladungsträger-dotiertem STO erstaunlicherweise koexistieren. Ferroelektrizität ist ein Festkörperzustand mit reversibler, makroskopischer Polarisation. Da mobile Ladungsträger ein elektrisches Dipolmoment abschirmen, ist die Erwartung, dass nur ionische Isolatoren ohne Inversionssymmetrie als Ferroelektrika in Frage kommen. Supraleitung ist eine elektronische Instabilität in Metallen ausgelöst durch eine attraktive Wechselwirkung, welche die Coulomb-Abstoßung der Elektronen überwindet und makroskopisch kondensierende Cooper-Paare generiert. Diese beiden Festkörperzustände haben scheinbar wenig gemein.Nichtsdestotrotz konnte die Koexistenz mobiler Ladungsträger mit lokalen elektrischen Dipolen experimentell belegt werden, und sogar Supraleitung und polare Gitterverzerrung scheinen sich nicht gegenseitig zu stören. Aus dieser Beobachtung ergibt sich eine Vielzahl weiterer Fragen: Wie viele freie Ladungsträger sind notwendig um die elektrischen Dipolmomente abzuschirmen bzw. in welcher Weise sind dynamische Aspekte dieses Abschirmprozesses zu berücksichtigen? Wie wechselwirken die Dipole innerhalb eines Fermi-Sees miteinander? Wie wechselwirken die Dipole mit den sich formierenden Cooper-Paaren? Wie vergleicht sich ferroelektrische Quantenkritikalität mit ihrem magnetischen Analogon? Dieser Antrag zielt auf das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Ferroelektrizität, Supraleitung und antiferrodistortiver Gitterverzerrung in SrTiO3 in Abhängigkeit unterschiedlicher Dotierungen (Nb, La, Ca, Ba, Sauerstoff-Fehlstellen, … ) sowie im verschwisterten Material EuTiO3. Die Projektpartner besitzen hierzu notwendige komplementäre Expertisen: Auf deutscher Seite bestehen umfangreiche Erfahrungen in breitbandiger dielektrischer und optischer Spektroskopie, Einkristallzucht von Selten-Erd-Titanaten, sowie thermodynamischer Charakterisierung von Quantenphasenübergängen. Auf französischer Seite besitzt man Erfahrung in der Untersuchung elektrischer, thermischer und thermoelektrischer DC-Transporteigenschaften unter extremen Bedingungen bezüglich Temperatur und Magnetfeld.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Kamran Behnia; Benoit Fauque, Ph.D.; Professor Dr. Yann Gallais