Project

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The United Control over Charge Density and Spin State of Low Dimensional Electron System at Titanates

Applicant Radovic Milan
Number 182695
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.07.2019 - 30.06.2022
Approved amount 341'200.00
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Keywords (5)

the spin polarization ; Angle and Spin resolved photoemission spectroscopy; two-dimensional electron states ; anatase-TiO2 surface ; the charge density

Lay Summary (German)

Lead
Das vorgeschlagene Projekt hat das ehrgeizige Ziel, eine Routine zum Abstimmen der Ladungsdichte und der Spinstrukturen des 2DES an der TiO2-Oberfläche zu etablieren.Magnetismus wird als Parameter verwendet, um die Rashba-Aufteilung zu ändern und die Zeeman-Lücke zu öffnen. Sowohl ein Magnetismus als auch eine Ladungsdotierung im TiO2-Film werden gesteuert durch:1. magnetische Verunreinigungen (Cr), die in das PLD-Target eingebaut sind.2. die Nähe zur Magnetpufferschicht (SrRuO3).3. die Oberflächendotierung (Bandfiling) durch in situ Abscheidung von Alkaliatomen.
Lay summary

Um die Potenziale dieser auf TiO2-Filmen basierenden Hybridsysteme voll auszuschöpfen, ist der Einsatz fortgeschrittener experimenteller Methoden wünschenswert. Daher wird für dieses Projekt in erster Linie der Versuchsaufbau verwendet, der Pulslaserabscheidung (PLD) und winkelaufgelöste Photoemission (ARPES) an der SIS-Strahllinie (SLS, Paul Scherrer Institut) kombiniert. Gegenwärtig wird dieser Aufbau mit Instrumenten für Molekularstrahlepitaxie (MBE) und Rastertunnelmikroskopie (STM) erweitert.

Das vorgeschlagene Projekt hat das ehrgeizige Ziel, eine Routine zu entwickeln, um gleichzeitig Ladungsdichte und Spinstrukturen des 2DES an der TiO2-Oberfläche abzustimmen. Dies wird unter Ausnutzung der folgenden Ansätze erreicht:

1. Verwendung magnetischer Verunreinigungen. Herstellung der Dünnfilme aus Anatas-TiO2 mittels Pulsed Laser Deposition (PLD) mit verschiedenen Dotierungen magnetischer Verunreinigungen (Cr) im PLD-Target.

2. Über die Nähe zur magnetischen Pufferschicht. Durch die Nähe zur Magnetschicht kann eine magnetische Ordnung in Form eines Anatas-TiO 2 -Dünnfilms induziert werden.

3. Regulierung der Oberflächendotierung (Bandfiling) durch in situ Abscheidung von Alkaliatomen.

Das Ergebnis dieses Projekts wird zu mehreren technologischen Bereichen beitragen, die an der Spitze der Forschung in der Elektronik stehen, nämlich in der Spintronik und der Quantenelektronik. Die vorgeschlagene Forschung wird die neuen Eigenschaften und Potenziale von 2DEGs in Titanaten aufdecken, die die Kontrolle der Orbitalordnung und den Magnetismus kombinieren. Dieses Projekt wird eine neue Route für die Spintronik einleiten, die auf der Abstimmung der Spinpolarisation basiert, um so den Spintransport in neuartigen multifunktionalen Geräten steuern zu können.

Direct link to Lay Summary Last update: 04.07.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
170075 Experimental realization of novel quantum materials with MBE/PLD+STM+ARPES 01.11.2017 Bilateral programmes
177006 In-situ spectroscopy of oxide heterostructures 01.06.2018 R'EQUIP

Abstract

The interplay between orbital ordering and spin-orbit coupling in Transition Metal Oxides (TMO) leads to the complex two-dimensional electron states (2DES) typified with fascinating properties. For instance, surface of bare STO and LAO/STO interface show unexpected Rashba like spin-orbit coupling, very promising effect to be used in quantum oxide electronics. Understanding, controlling and tailoring electronic properties of titanates surfaces and interfaces are mandatory requirements for any application. This project is based on recent experimental findings that the metallic state generated at the surface of SrTiO3 (STO) and anatase -TiO2 shows the multi band structure deriving from d orbitals. TiO2 anatase is preferred system for such study, since the large tetragonal crystal field splitting forms a single band electronic state with pure dxy character, unlike cubic or quasi-cubic titanates (i.e., STO) where also dxz/yz derived bands lie below the Fermi level.The investigation of electronic and spin structures of the TiO2 based-2DES systems via Angular and Spin Resolved Photoemission spectroscopy will be the ultimate goal of the project.The project outcome will be important for further development of quantum oxide electronics based on 2D-TMO materials within Switzerland and, in general, will significantly contribute to the fundamental understanding of novel phenomena in solid-state physic.
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