Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Department of Physics of Complex Systems (Eötvös Loránd University)
Starting date
2017-10-01
Closing date
2020-09-30
Funding (in million HUF)
15.219
FTE (full time equivalent)
2.10
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A szupravezető fázis jelenléte nano méretű rendszerekben számos fizikai jelenség megnyilvánulására nyújt lehetőséget. A normál-szupravezető rendszerekre jellemző elektron-lyuk szimmetria például garantálja a Majorana fermion kötött állapotok nulla energiás degenerációját, ami szükséges feltétele a csatolt kvantum biteken definiált unitér transzformációknak. Technológiai szempontból ugyancsak fontos szerepet játszanak a Cooper-pár szétválasztó eszközök, melyek az összefonódott elektron állapotok létrehozásának egyik lehetséges módszerét valósítják meg. Végezetül, a Josephson átmenetekben a szupravezető kontaktusok között definiált makroszkopikus fáziskülönbség az időtükrözési szimmetria megsértését eredményezi, mely jelenség ugyancsak kihasználható az elektronszerű állapotok manipulálásához.
Jelen pályázat célja megvizsgálni az újszerű alacsony dimenziós anyagok és a molekuláris rendszerek szerepét ezekben a rendszerekben. A csoportunk által fejlesztett EQuUs (http://eqt.elte.hu/equus/home) keretrendszer lehetőséget nyújt a sok-terminálos Josephson rendszerek és Cooper-pár szétválasztó eszközök mikroszkopikus tanulmányozására, ami a kapcsolódó irodalomban egyedülálló lenne. Munkánk így támogatást nyújt kísérleti munkatársainknak az említett eszközök tervezésében illetve a kísérletekben tapasztalt effektusok magyarázatában. Eredményeink így várhatóan számos új, gyakorlati alkalmazásban válnak hasznosíthatóvá.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Munkám során szupravezető fázisokat tartalmazó molekuláris és nanoskálájú rendszereket vizsgálom majd. A közelmúltban publikált módszerünk alkalmas a több terminálos Josephson átmenetek mikroszkópikus leírására is. Hipotézisünk szerint az extra kontaktusok alkalmazása további szórási állapotok megjelenését eredményezi a szupravezető tiltott sávszélességben is, ahol a hagyományosan alkalmazott szupravezető-normál-szupravezető rendszerekben csupán az Andreev kötött állapotok találhatóak. A szórási állapotok áram-fázis relációja eltér az Andreev kötött állapotok áram-fázis relációjától, így a sokterminálos Josephson rendszerek merően különböző tulajdonságokkal rendelkezhetnek. Hipotézisünk szerint a Josephson rendszer áthangolható a pi-Josephson működési tartományba is, mely a kvantumos bitek megvalósításának lehetséges építőelemei. Módszerünkkel grafén és topológikus szigetelő alapú nanoskálájú, valamint molekuláris rendszereket tervezem vizsgálni.
Mindemellett vizsgálni kívánom a Cooper-pár szétválasztó folyamatokat is mikroszkopikus szintű elméleti módszerekkel. A csoportunk által fejlesztett EQuUs keretrendszer lehetőséget nyújt az elektron-elektron kölcsönhatás és a szupravezetés önkonzisztens tárgyalására nagy méretű rendzserekben. Munkám során a Cooper-pár szétválasztó eszközök hatékonyságának növelésére teszek javaslatokat, illetve a rendhagyó kísérleti megfigyelések magyarázatával fogok foglalkozni, mint például a szétválasztással járó nem-lokális jel anomális hőmérsékletfüggése.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Az alapkutatások során vizsgált jelenségek mellett az alkalmazott módszerek fejlesztése is elengedhetetlen. Jelen pályázatban mindkét aspektus fontos szerephez jut. Elméleti módszereink lehetővé teszik olyan fizikai rendszerek elméleti tanulmányozását is, melyekre a korábbi számolási módszerek nem terjednek ki. Ilyen rendszerek például a sokterminálos Josephson elrendezések illetve a Cooper-pár szétválasztó eszközök, melyek komoly technológiai alkalmazási lehetőségekkel kecsegtetnek a kvantuminformatika területén. Az említett rendszerek elméleti leírására már számos effektív modell alkalmazásra került, azonban az olyan számolási módszer mely figyelembe tudja venni az egyedi rendszerek geometriájából és mikroszkopikus tulajdonságaiból adódó effektusokat is, jelenleg még hiányzik az irodalomból. A tervezett kutatási feladatok során éppen ezeket a hiányzó aspektusokat fogom vizsgálni.
Az elmúlt években publikált EQuUs keretrendszerünk a csoportunk által fejlesztett és az irodalomban elérhető leghatékonyabb számolási módszereket ötvözi. Eszközünk már jelenleg is képes a sokterminálos Josephson elrendezések tanulmányozására, mely egyedülálló a kvantumos vezetési folyamatok modellezésére alkalmas eszközök körében. Ennek köszönhetően a nemzetközi piacon kivételes hatékonysággal rendelkező számítási kapacitásra tettünk szert. Felhalmozott tudásbázisunkra alapozva termékeny együttműködést hoztunk létre a kvantum technológia területén tevékenykedő, hollandiai székhelyű QuTech Akadémiával. Tevékenységünket folytatva elméleti modellezésekkel támogatjuk majd az újszerű kvantumtechnológiák kísérleti tanulmányozását együttműködve hazai és nemzetközi csoportokkal, elősegítve ezzel a tudományterület fejlődését. A pályázatban együttműködő munkatársak szakmai jártassága és tudásbázisa garanciát nyújt arra, hogy az elért eredmények jelentősen hozzájárulnak a kutatási terület fejlődéséhez. Tapasztalt munkatársak közreműködése mellett, hangsúlyt fektetünk fiatal és tehetséges diákok bevonására is a kutatási területbe.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Napjaink nanotechnológiájában a szupravezető fázisokat tartalmazó nanoszerkezetek új perspektívákkal kecsegtetnek a lehetséges alkalmazások területén. Nem meglepő ezért, hogy a nemzetközi alapkutatás egyik legintenzívebben kutatott területévé nőtte ki magát ez a kutatási terület.
A kvantum-számítógépek működéséhez is szükséges összefonódott állapotok létrehozásának egyik lehetséges módja például a kísérletileg is megvalósított Cooper-párok térbeli szétválasztása. Ezen felül a kvantumos információ tárolására alkalmas kétállapotú rendszerek megvalósíthatóak hagyományos és pi-Josephson átmenetek integrálásával. Különösen időszerű ezért tanulmányozni az újszerű alacsony dimenziós és molekuláris anyagok technológiai alkalmazásának lehetőségeit is. Ilyen anyagok például a grafén és grafén-szerű anyagok, valamint az egzotikus felületi állapotokkal rendelkező topológikus szigetelők. Az említett nano méretű rendszerekben lejátszódó vezetési tulajdonságokat a csoportunk által kidolgozott újszerű elméleti módszerekkel tanulmányozzuk, együttműködésben több hazai és nemzetközi kísérleti kutatócsoporttal.
A pályázatban együttműködő munkatársak szakmai jártassága és tudásbázisa garanciát nyújt arra, hogy az elért eredmények jelentősen hozzájárulnak a kutatási terület fejlődéséhez. Tapasztalt munkatársak közreműködése mellett, hangsúlyt fektetünk tehetséges diákok bevonására is a munka során. Eredményeinket magas impaktfaktorú nemzetközi szaklapokban kívánjuk publikálni, illetve nemzetközi konferenciákon előadás vagy tudományos poszter formájában szeretnénk bemutatni.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The combination of superconductors with novel nanoscale structures is expected to give rise to novel experimental applications. For instance, the electron-hole symmetry in normal-superconductor (NS) hybrid structures ensures the zero energy degeneracy of the Majorana fermion states which is necessary to perform quantum manipulations on coupled quantum bits in terms of unitary operations. Cooper-pair splitting devices also play an important role from technological point of view, since they provide a way to create entangled electron states. In addition, the macroscopic phase drops across the Josephson junctions is a source of a time-reversal symmetry breaking that enables a fine-grained manipulation of electron states. Thus, multiterminal Josephson junction are also capable to host topologically protected states important for quantum computations.
The aim of the present proposal is to examine the role of the novel low-dimensional materials and molecular junctions in the properties of NS hybrid structures. We perform the necessary numerical calculations using the EQuUs framework (see details at http://eqt.elte.hu/equus/home) developed by our group. EQuUs enables us to describe large-scaled multiterminal Josephson junctions and Cooper-pair splitting devices on a microscopic level, which would be unique in the corresponding literature. Hence, our work would provide support for the experimentalists to increase the efficiency of their quantum devices and discover the explanation for the unresolved experimental observations. We expect that our work will initiate new directions in experimental research and engineering.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. During the supported period we will study the properties of nanostructures consisting of normal and superconductor phases, that are believed to open new perspectives for potential technological implementation in quantum computations. Compared to conventional superconducting-normal-superconducting Josephson junctions, additional contacts attached to the scattering center may open new conductive channels in the system. The current-phase relation (CPR) of the scattering states might substantially differ from the CPR of the Andreev bound states, thus the multiterminal Josephson junctions may exhibit unconventional physical properties. According to our hypothesis, multiterminal Josephson junctions might be turned into the pi-Josephson state by increasing the weight of the scattering states. Our numerical method published recently is capable to describe multiterminal Josephson junctions. We intend to conduct theoretical studies on multiterminal junctions based on novel low-dimensional materials including graphene, graphene-like materials, topological insulators and molecular systems.
In addition, we shall also conduct studies on the Cooper-pair splitting processes on a microscopic level. The EQuUs framework developed by our group allows us the theoretical modeling of large scaled systems where the Coulomb interaction and the superconductivity are both relevant. During our work we will investigate the possibilities to increase the efficiency of these quantum devices and search for the explanation of unresolved experimental observations, such as the anomalous temperature dependence of the non-local signal.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. In scientific research the advance of the applied methods is as much important as the investigated phenomenon itself. The present proposal addresses both of these aspects. Our numerical methods enable us to study large scaled physical systems, which was unaccessible by previous theoretical approaches. On the other hand, multiterminal Josephson junctions or Cooper-pair splitting devices provide new technological potentials for quantum computing. There have been proposed several effective models for the description of these system, however, an approach capable to account for particular microscopic and geometrical effects is still missing from the literature. The objective of the present proposal is to reduce the gap between the theory and experiments.
Recently we have published the theoretical framework EQuUs, which gathers the most efficient approaches developed by either our group or adopted from independent works. EQuUs is already capable to describe multiterminal Josephson junctions, which is unique among the available quantum transport utilities. Based on the considerable computational capacity acquired by our group we initiated a fruitful collaboration with the QuTech Academy in Delft. We shall continue our work to provide theoretical support for the experimental groups to design quantum devices and to explain the unresolved experimental observations. The skills and the knowledge of the international and national collaborators guarantees that the obtained results would be of great importance in the given research field. Furthermore, the present proposal provides an opportunity for young and talented students to participate in a cutting edge research.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The combination of the superconductors with novel nanoscale materials is expected to give rise to new nanoelectronic applications. Hence, the superconductivity in these systems became one of the most intensively studied topics of the nanoscale physics. The creation of entangled electron states necessary for quantum computation can be created, for instance, by the Cooper-pair splitting process. In addition, quantum bits capable to manipulate quantum information can be realized by devices combining conventional and pi-Josephson junctions. Thus, it is important to examine the role of novel low-dimensional materials (such as graphene, graphene-like materials and topological insulators exhibiting protected surface states) and molecular junctions in these devices. Our work is supported by the numerical framework EQuUs developed by our group (see details at http://eqt.elte.hu/equus/home) and by a collaboration with international and national experimental groups.
The skills and the knowledge of the international and national collaborators guarantees that the obtained results would be of great importance in the given research field. Also, the present proposal provides an opportunity for young and talented students to participate in a prominent research work. Our results will be published in prominent international journals and will be presented conferences.
Final report
Results in Hungarian
A támogatott pályázati időszak alatt a pályázat témavezetője három diákja szerezte meg BsC diplomáját fizikus szakon.
A pályázati időszak alatt keletkezett tudományos eredmények három, nemzetközi folyóiratokban megjelent tudományos publikáció, illetve konferencia előadások és poszterek formájában lettek bemutatva a pályázat témavezetője, vagy a felkészített diákok által.
Az egyik megjelent publikációban egy újfajta Cooper-pár szétválasztási mechanizmusról számoltunk be, melyet molekuláris rendszereken végzett számolásaink jósolnak. Javaslatunk alapján az összefonódott elektronpárok térbeli szétválasztása csupán a vizsgált molekulákban jelen lévő quantum interferencia jelenségekre vezethető vissza.
Munkánk során a spin-pálya kölcsönhatás erősségének hangolását is vizsgáltuk grafén és átmenetifém dikalkogenidekből alkotott réteges rendszerekben. Számolásaink a spin-pálya kölcsönhatás éles erősödését jósolják a grafén és az átmenetifém dikalkogenid réteg közti 18 fokos relatív elfordulás környékén. A spin-pálya kölcsönhatás effajta hangolása fontos lehet spintronikai alkalmazások szempontjából.
A támogatott időszak alatt a pályázat témavezetője kifejlesztett egy újfajta algoritmust is tetszőleges unitér operátorok egy- ás két-qubites kapukra történő felbontására.A kifejlesztett algoritmus hatékonyabbnak bizonyult a jelenleg elérhető algoritmusoknál melyeket napjaink kvantumszámítógép szolgáltatásaiban implementálnak.
Results in English
During the supported period three students completed their BsC program under the supervision of the principal investigator of the grant.
The scientific results of the grant have been reported in three peer-reviewed journals and were presented in forms of conference talk and posters by the principal investigator himself and by his supervised students.
In one of the published works we reported on a novel Cooper-pair splitting mechanism arising in molecular junctions.
In contrast to other proposals including particle-particle interactions or other exotic components, our scheme relies solely on inner quantum interference effects.
We also studied the spin orbit coupling in heterostructures of graphene and monolayer transition metal dichalcogenides (TMDCs).
Provided that the energy of the Dirac point of graphene is close to the TMDC conduction band, our calculations predict a sharp increase of the induced spin-orbit coupling around a twist angle of 18 degrees.
This tunability of the spin-orbit coupling via layer rotation angles (layer engineering) might be important in spintronic applications.
In addition we developed a novel algorithm for the decomposition of arbitrary unitary operation into one and two-qubit gate operations.
Our approach surpasses all other algorithms currently available in quantum computing services, thus it might by of high importance in the field of quantum information technology.
