Metall-Isolator-Übergang in zwei Dimensionen

Die Entdeckung eines Metall-Isolator Phasenüberganges in zwei-dimensionalen Elektronensystemen 1994/95 und dessen Bestätigung durch weitere Gruppen an unterschiedlichen Probenstrukturen und Materialien hat große Beachtung gefunden, da allgemein angenommen wurde, daß alle Zustände bei tiefen Temperaturen lokalisiert sind. Die wegweisende Veröffentlichung von Abrahams, Anderson, Licciardello und Ramakrishnan im Jahre 1979 zeigte, daß kein echtes metallisches Verhalten für nicht wechselwirkende 2D Elektronen bei T à 0 möglich ist da schon schwache Unordnung genügt um die Elektronen zu lokalisieren. Vor den neuen experimentellen Beobachtungen wurde die Lokalisierung von Elektronen in 2D für T à 0 durch viele experimentelle Ergebnisse bestätigt. Daher wurde die Aussage, daß alle Zustände in zwei Dimensionen bei tiefen Temperaturen lokalisiert sind, kaum in Frage gestellt. Für das wechselwirkende Elektronensystem ist bisher keine zufriedenstellende theoretische Beschreibung gefunden worden, obwohl Skalierungsgesetze und feldtheoretische Methoden angewandt wurden. Der Metall-Isolator Phasenübergang in 2D-Systemen stellt derzeit eines der aktuellsten aber auch fundamentalsten Probleme der Festkörperphysik dar. Es ist das Ziel dieser Arbeit, Untersuchungen des unerwarteten Metall-Isolator Phasenüberganges in zwei-dimensionalen Elektronensystemen durchzuführen um zwischen verschiedenen vorgeschlagenen Modellen bezüglich dessen Ursprunges zu entscheiden. Der größte Teil der Untersuchungen wird an hochbeweglichen Si-MOS Proben durchgeführt, aber zusätzliche Messungen an Si/SiGe und PbEuTe Heterostrukturen sind vorgesehen. Die Leitfähigkeitsmessungen an den verschiedenen Proben werden im He 3 System bis hinab zu 300 mK und in He 3 /He 4 Systemen bis zu 5 mK durchgeführt. Der Einfluß eines magnetischen Feldes senkrecht oder parallel zur Elektronenschicht ist ein weiterer wichtiger Aspekt der Untersuchungen. Wir werden die logarithmischen Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit bei sehr tiefen Temperaturen untersuchen, da das Vorzeichen eine wichtige Information über die Symmetrie das Systems und die stattfindenden Wechselwirkungen gibt. Die Untersuchung der metallischen Phase über einen weiten Ladungsträger- und Temperatur-Bereich wird eine Entscheidung zwischen ein-Parameter oder multi-Parameter Skalierungsverhalten erlauben. Die Reaktion der Leitfähigkeit auf ein Magnetfeld parallel zu der Ebene des 2D Elektronensystems gibt Informationen über die Spin-Beiträge. Die Frequenzabhängigkeit der Leitfähigkeit sollte wichtig sein, falls es sich bei dem metallischen Zustand des Elektronensystems um eine Spin-Flüssigkeit oder ein Wigner-Glas handelt. Weiters wird der Vergleich von Si-MOS Proben mit Si/SiGe und PbEuTe Quantentopfstrukturen Informationen über den Einfluß der effektiven Masse, der Asymmetrie des begrenzenden Potentials und des Landé g-Faktors erlauben.

Vor wenigen Jahren wurde in Silizium-Feldeffekttransistoren bei sehr tiefen Temperaturen von unter 1 Kelvin ein unerwarteter metallischer Zustand entdeckt. Nach der weitgehende akzeptierten Theorie sollte aber jedes zwei- dimensionale Elektronensystem, wie es z.B. in Silizium-Feldeffekttransistoren vorkommt, bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt elektrisch isolierend werden. Der isolierende Zustand sollte sich aufgrund der Lokalisierung der Elektronen durch Quanteninterferenzeffekte einstellen. Es war unklar, ob sich hinter dem neuen metallischen Zustand ein neuartiger Grundzustand des Elektronensystems verbirgt oder ob man das System durch eine Erweiterung der bestehenden Modelle verstehen kann. In dem hier abgeschlossenen Projekt des Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) in Österreich wurde der metallische Zustand und der damit verbundene Metall-Isolator Phasenübergang in zweidimensionalen Elektronensystemen im Detail untersucht. Die Forschungsarbeiten sind eindeutig der Grundlagenforschung zuzuweisen, da es darum geht, den Mechanismus der dem neuen Effekt zugrunde liegt, zu verstehen. Das gewonnene Verständnis kann aber später auch der angewandten Forschung zugute kommen. Um zu entscheiden ob der metallische Zustand einen quantenmechanischen Ursprung besitzt oder durch sogenannte "konventionelle" Effekte verursacht wird, wurde der bereits bekannte quantenmechanische Interferenzeffekt der Elektronenwellen, die sogenannte "schwache Lokalisierung" im Detail untersucht. Die Auswertung ergab, dass die quantenmechanischen Interferenzeffekte nicht überall vorhanden sind und das es vor allem einen Bereich des metallischen Zustandes gibt, der völlig durch "konventionelle" Effekte wie Störstellenstreuung und elektrostatische Abschirmung erklärt werden kann. Es hat sich also gezeigt, dass durch Erweiterung der bisherigen Modelle das metallische Verhalten auch durch die "konventionellen" Effekte erklärt werden kann. Allerdings sprechen immer noch einige experimentelle Befunde und auch theoretische Modelle dafür, dass bei besonders niedrigen Elektronenkonzentrationen die Elektron-Elektron Wechselwirkung und die Quanteneffekte einen neuartigen elektronischen Grundzustand verursachen. Im Rahmen des Projektes konnte das Verständnis der Metall-Isolator Phasenüberganges stark verbessert werden und man weiß wesentlich mehr über das Zusammenspiel von "konventionellen" und quantenmechanischen Effekten bei tiefen Temperaturen. Die Arbeiten führten unter anderem zu drei Publikationen in der anerkannten Fachzeitschrift "Physical Review Letters". Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen können auch auf andere niedrigdimensionale Elektronensysteme übertragen werden und bei der weiter fortschreitenden Miniaturisierung der Bauelemente werden die untersuchten Quanteneffekte in Zukunft vermutlich auch dort eine wichtige Rolle spielen.