Sandwiches aus Metalloxiden

Die Skizze zeigt den Aufbau der beiden Metalloxidschichten. Die interessanten neuen Eigenschaften zeigen sich genau an der Grenzfläche / Bildquelle: M. Bibes

Eine französisch-deutsche Kooperation hat ein Schichtsystem aus Übergangsmetalloxiden an BESSY II untersucht. Dabei entdeckten die Wissenschaftler eine neue Möglichkeit, um Eigenschaften der Grenzfläche gezielt zu verändern, zum Beispiel den Ladungstransfer oder die magnetischen Eigenschaften. Möglicherweise könnte man damit sogar neue Formen der Hochtemperatursupraleitung erzeugen.

So genannte Sandwich-Systeme aus dünnen Schichten von Übergangsmetalloxiden zeigen oft überraschende Eigenschaften an den Grenzflächen. Das Paradebeispiel ist eine Doppelschicht aus Lanthan-Aluminat (LaAlO₃) und Strontium-Titanat (SrTiO₃): während die beiden Oxidschichten im Inneren des Materials elektrisch isolierend und unmagnetisch sind, beobachtet man an der Grenzfläche der beiden Schichten Ferromagnetismus, hohe Leitfähigkeit und unter bestimmten Bedingungen sogar Supraleitung.

Ein Team um Manuel Bibes vom CNRS in Thales, Frankreich, hat gemeinsam mit internationalen Partnern einen neuen Ansatz gefunden, um die Eigenschaften von Grenzflächen gezielt zu steuern. Zusammen mit Sergio Valencia und weiteren Wissenschaftlern vom HZB konzipierten sie eine Versuchsreihe an BESSY II, mit der sie nun aufsehenerregende Ergebnisse erzielt haben.

Selten-Erden verändern den Ladungstransfer – Das Team um Manuel Bibes stellte dafür zunächst Doppelschichten aus extrem dünnen Metalloxidfilmen her, einen Gadolinium-Titanat (GdTiO₃)-Film und einen „R“-Nickelat (RNiO₃)-Film, wobei „R“ ein Element aus der Gruppe der Selten Erden ist. „Es ist uns damit gelungen, zwei sehr unterschiedliche Übergangsmetalloxide zu kombinieren: Während in der chemischen Bindung der Titanatschicht die Elektronen stark lokalisiert sind, sind sie in der Nickelatschicht zwischen den Sauerstoff- und Nickelatomen verteilt (kovalente Bindung). An der Grenzfläche wandern daher einige Ladungsträger aus der Titanat- in die Nickelatschicht. Diesen Prozess untersuchten die Wissenschaftler nun anhand von Proben mit unterschiedlichen Selten-Erden-Elementen: Lanthan, Neodym und Samarium.

An BESSY II konnten sie nun erstmals beobachten, dass der Ladungstransfer zwischen den beiden Schichten vom Selten-Erden-Element in der Nickelatschicht abhängt. Die unterschiedlichen Selten-Erden-Elemente besitzen verschiedene Atomradien. Dies beeinflusst die Wechselwirkungen zwischen den Nickel- und Sauerstoffatomen und damit auch die so genannte Kovalenz und ihren Anteil an der chemischen Bindung. Dies ist soweit bekannt; aber die Wissenschaftler konnten nun erstmals beobachten, dass sich die Stärke der Kovalenz wiederum auf den Ladungstransfer von der Titanat- in die Nickelatschicht auswirkt. Das ist das wichtigste Ergebnis. Die Wissenschaftler haben damit herausgefunden, wie die chemische Bindung beeinflusst werden kann, um den Ladungstransfer zu steuern.

Ferromagnetismus beobachtet, Supraleitung erhofft – Über diesen Mechanismus könnte man beeinflussen, wie sich neue Phasen an den Grenzflächen ausbilden, zum Beispiel der Ferromagnetismus, der in dem jetzigen Experiment beobachtet wurde. Vielleicht können so auch unkonventionelle Supraleitung gefunden werden, die man in Analogie zu Kupraten auch in solchen Nickelat-Heterostrukturen vermutet. Die Arbeit kann dazu beitragen, bessere Grenzflächen zu entwickeln, an denen neue aufregende Phasen der Materie gezielt erzeugt und untersucht werden können.

Publikation: Hybridization-controlled charge transfer and induced magnetism at correlated oxide interfaces. M. N. Grisolia, J. Varignon, G. Sanchez-Santolino, A. Arora, S. Valencia, M. Varela, R. Abrudan, E.Weschke, E. Schierle, J. E. Rault, J.-P. Rueff, A. Barthélémy, J. Santamaria and M. Bibes, Nature Physics: doi:10.1038/nphys3627

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