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Electronic structure of quantum materials

English title Electronic structure of quantum materials
Applicant Baumberger Félix
Number 184998
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Département de Physique de la Matière Condensée Université de Genève
Institution of higher education University of Geneva - GE
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.08.2019 - 31.07.2023
Approved amount 935'471.00
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Keywords (9)

van der Waals heterostructures; Angle resolved photoemission (ARPES); Fermi liquids; Two-dimensional electron liquids; Correlated electron physics; Oxide interfaces; Transition metal dichalcogenides; Ruthenates; 2D materials

Lay Summary (German)

Lead
Das Studium neuer Quantenmaterialien ist ein wesentlicher Innovationsmotor der Festkörperphysik. Dies trifft zurzeit ganz besonders auf Heterostrukturen von van der Waals Materialien zu. Diese Strukturen können seit wenigen Jahren mit atomarer Präzision Lage für Lage aufgebaut werden und haben oft herausragende Eigenschaften mit Potenzial für Anwendungen in Sensorik und Elektronik. Bis jetzt ist aber weitgehend unbekannt wie diese Eigenschaften von ihrer einzigartigen atomaren Struktur und den entsprechenden Energieniveaus der Elektronen abhängen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

In diesem Projekt werden wir die elektronischen Energieniveaus von solchen Quantenmaterialien mit einer neuartigen Version der winkelaufgelösten Fotoemission (micro-ARPES) untersuchen. Dazu haben wir bereits im Vorgängerprojekt die Fotoemission weiterentwickelt um eine Sensitivität zu erreichen die es uns erlaubt kleinste Proben mit Volumen von typischerweise 10-15cmbei gleichzeitig höchster Energieauflösung zu messen. Die Anwendung dieser spektroskopischen Methode zum Studium von van der Waals Heterostrukturen verspricht neuartige Daten, welche verschiedene theoretische Ansätze zur Beschreibung dieser Materialien besonders stark eingrenzen. 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Bei diesem Projekt handelt es sich um Grundlagenforschung in einem sehr jungen Gebiet der Festkörperphysik. Die Resultate werden dazu beitragen die Basis für neuartige elektronische Bauelemente aus van der Waals Heterostrukturen zu schaffen und die Herstellungsprozesse solcher Strukturen zu optimieren.

Direct link to Lay Summary Last update: 03.06.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
189657 Next generation laser-ARPES 01.09.2020 R'EQUIP
165791 Electronic properties of engineered low-dimensional systems 01.08.2016 Project funding (Div. I-III)
153405 Low Energy Dynamics of Electron Liquids 01.05.2014 Project funding (Div. I-III)

Abstract

We propose electronic structure studies using angle resolved photoemission (ARPES) in three different areas of strong current interest.We first propose novel micro-focus laser-ARPES experiments on 2D materials focusing on devices prepared by exfoliation of van der Waals materials combined with nano-fabrication techniques. This project is not only at the forefront of the technical capabilities of ARPES but also addresses a topic of considerable recent interest. 2D van der Waals materials have remarkable optical- and transport-properties but little is known to date from experiment about their momentum space electronic structure, chiefly because conventional ARPES experiments lack the sensitivity to investigate such micron-scale devices. However, very recent advances, some of which in our own group, have made high-resolution ARPES experiments on a broad range of exfoliated van der Waals materials possible. This promises unique insight into very topical materials that are of interest to a large community.The second area addressed in this project is the electronic structure of oxide heterostructures. Similarly to van der Waals materials, this is an area where ARPES has clear potential but where technical difficulties have prevented its widespread application for electronic structure measurements. The key-difficulty here is to combine the growth of high-quality oxide heterostructures with ARPES in a single ultrahigh vacuum system permitting measurements on clean surfaces. To enable such experiments, we have recently set up a sputter deposition chamber connected to our laser-ARPES system in Geneva. We further have secured funding for an oxide molecular beam epitaxy system to be installed at the high-resolution ARPES beamline of the Swiss Light Source. Here, we propose to use these two instruments for experiments on epitaxially grown nickelates, rhodates and ruthenates.Finally, we propose ARPES experiments on ruthenates bulk single crystals while tuning their electronic properties using uniaxial strain and weak dc currents. These experiments build on our recent demonstration of quasi-continuous in-situ strain-tuning of Ca2RuO4 during ARPES experiments and promise unique insight into the many-body physics of these exemplary correlated electron systems.
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