 |
FlagERA: Topologikus állapotok létrehozása grafénban
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
127903 |
| típus |
NN |
| Vezető kutató |
Makk Péter |
| magyar cím |
FlagERA: Topologikus állapotok létrehozása grafénban |
| Angol cím |
FlagERA: Engineering topological superconductivity in graphene |
| magyar kulcsszavak |
grafén, szupravezetés, Majorana fermion, topologikus |
| angol kulcsszavak |
graphene, superconductivity, Majorana fermions, topological systems |
| megadott besorolás |
| Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % | | Ortelius tudományág: Kondenzált anyagok tulajdonságai |
|
| zsűri |
Fizika 1 |
| Kutatóhely |
Fizika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| résztvevők |
Fülöp Bálint
Kormányos Andor
Rakyta Péter
|
| projekt kezdete |
2018-05-01 |
| projekt vége |
2022-04-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
38.646 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
2.65 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Ez a projekt a grafén egyedülálló tulajdonságait használja arra, hogy topológiai szupravezetést és a és Majorana Fermionokat (MF) hozzon létre. Ezek a tulajdonságok a ballisztikus vezetés, jó kontaktálhatóság szupravezetőkkel, illetve a fizikai tulajdonságainak tervezhetősége van der Waals rétegek létrehozásásán keresztül.
Az MF-ek létrehozására két különböző útvonalat követünk: (a) a grafén spin-pálya kölcsönhatásának (SOI) növelése más nagy SOI anyagokra történő helyezéssel (b) speciális kvantum Hall fázisok létrehozásával egy vagy két-rétegű grafénben. A topológikus szupravezető fázisok eléréséhez ezeket a struktúrákat szupravezető elektródákkal kontaktáljuk. Az MF-ek megjelenését feszültség spektroszkópiával és a Josephson-áram mérésekkel tervezzük igazolni.
Ezen célok elérése érdekében számos speciális építőelemet ötvözünk: nagy mobilitású grafén, indukált SOI, szuperáram kvantum Hall állapotban, Andreev visszaverődés, alagút-spektroszkópia és on-chip-érzékelés Josephson sugárzás esetén. Kísérleteinket elméleti tanulmányokkal egészítjük ki az eredmények értelmezésére, az eszköz-architektúrák optimalizálására és új irányok kifejlesztésére.
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.
A topológiai szupravezetés területe viszonylag új, az elmúlt években hatalmasat fejlődöttt. Ez magában foglalja a kísérleti eredményeket a tervezett, mesterséges topológikus szupravezetőkben, melyeket nanoszálakban és a topológikus szigetelőkben valósíottak meg. Bár ezek az anyagrendszerek meglehetősen ígéretesek, számos technikai probléma továbbra is fennáll, mint például a TI-kben fennmaradó bulk vezetőképesség, a nanovezetékekben fellépő szennyezés, vagy ezeknek az anyagoknak az szupravezetőkkel való kontaktálása is kihívást jelent.
A munka fő kérdése, hogy lehet-e a grafénben a topológikus szupravezetést létrehozni?
Két fő irányt követünk a grafén MF-ek létrehozásához.
1) Növeljük a spin pálya kölcsönhatást grafénben, és ötvözzük szupravezető kontaktusokkal és mágneses terekkel.
2) A második megközelítés a Landau-szintek magas mágneses terekben történő felhasadásán alapul: két egyrétegű grafén egymásra helyezésével, melyekben a megfelelő Landau szintek vannak betöltve, egy kvantum spin Hall állapot jön létre.
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!
A grafénban létrejövő topológikus szupravezetésének bizonyítása jelentős mérföldkő lenne a topológikus kvantumszámítás felé, és megnyitná a területet a grafénalapú eszközök számára. A grafén várhatóan jelentős előnyökkel bírhat alternatív platformokkal szemben, ami komoly szereplővé teheti a topológikus kvantumszámításban. A konzorcium szakértő a szükséges területeken:MF mérések, nagy mobilitású grafén és van der Waals a heterostruktúrák előállítása, a Josephson-mérések grafénben, Andreev reflexió, kvantum Hall effektus és Josephson sugárzás mérése. Ezenkívül a konzorcium tagja egy az MF-ok elméletében vezető szerepet játszó csoport, akik elsőként vizsgálták a grafén alapú MF-ek létrejöttét számolások segítségével.
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.
A mai számítások klasszikus algoritmusokra támaszkodnak, azonban a kvantumszámítás, az újszerű számítási módszer lehetővé teheti, hogy bizonyos dolgok exponenciálisan gyorsabban kiszámíthatók legyenek, vagy azok a problémák is megoldhatók legyenek, amelyeket ma nem lehetséges kiszámolni. Ez a kvantum bitek különleges tulajdonságára támaszkodik, nevezetesen, hogy szuperpozíciókat lehet készíteni belőlük, és hogy a távoli qubitek össze lehet fonni. A qubitek megvalósításának új módja az úgynevezett topológiai kvantumszámítás, ahol a rendszer szimmetriái megvédik a qubiteket az információ elvesztésétől.
A Majorana fermionok speciális "részecskék", amelyek a kvantumszámítás alapelemei lehetnek. Ebben a projektben arra törekszünk, hogy megtervezzük és megtaláljuk a Majorana fermionokat a grafénben, amit szupravezetőkhöz csatolunk. A grafén, az egy rétegű grafit, egy figyelemre méltó anyag, amely már számos alkalmazást tartalmaz, és remélhetőleg ideális platform lesz Majorana fermionok létrehozásához.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
This project will leverage the unique properties of graphene (long-range ballistic transport, clean interfaces with superconductors, tuneable properties through van der Waals engineering) to realize a new platform for topological superconductivity and Majorana Fermions (MFs).
We will follow two different complementary routes to engineer MZMs: (a) enhance spin-orbit interaction in graphene by stacking it on high spin orbit 2D materials, and (b) use the peculiar quantum Hall phases in single or twisted bilayer graphene to induce quantum spin-Hall phases. We will then induce topological superconducting phases by coupling these structures to superconducting electrodes. The emergence of MZMs will be identified using tunnelling spectroscopy and current phase relation of Josephson junctions, both of which produce smoking-gun signatures of these excitations.
To achieve these goals we will combine several cutting edge building blocks: high mobility graphene, induced spin orbit interaction, supercurrents in a quantum Hall states, crossed Andreev reflection and, tunnelling spectroscopy and on-chip detection of Josephson radiation. We will supplement our experiments with theoretical studies to interpret results, optimize device architectures, and to develop novel directions.
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.
The field of topological superconductivity, while relatively new, has seen tremendous progress in recent years. This includes experimental advances with both intrinsic topological superconductors and engineered topological superconductors by means of the proximity effect in nanowires and topological insulators. Although these material systems are quite promising several technical problems persist, like remaining bulk conductance in topological insulators, disorder in nanowires or interfacing these materials with superconducting contacts is also challenging.
The main question of this proposal if graphene can be used as a platform for topological superconductivity.
There are two main directions to produce MZMs in graphene.
1) Enhance spin orbit interaction in graphene, and combine it with superconducting contacts and in-plane B-fields to reach a topological regime.
2) The second approach is based on the breaking of the Landau levels at high magnetic fields: by placing two quantum Hall graphene monolayers atop each a quasi-quantum spin Hall state is formed.
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.
The first demonstration of topological superconductivity in graphene would be a major milestone
towards topological quantum computation, and would open up the field for graphene based devices.
Graphene is expected to exhibit advantages over alternative platforms, which would make it a strong
contender towards implementing topological quantum computation. The consortium is expert in all
the aspects needed for the proposal: MF measurements, high quality graphene and van der Waals
heterostructures, Josephson effect in graphene, crossed Andreev reflection, and quantum Hall
studies and Josephson radiation. Moreover, the consortium includes expert theory support from one
of the world’s leading teams in Majorana theory that developed one of the first proposals towards
MFs in graphene.
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.
Today’s computation relies on classical algorithms, however, quantum computation, a novel way of computing would allow certain things to be computed exponentially faster, or solve problems not possible today. This relies on the special property of quantum bits, qubits, namely that superpositions can be made from them, and that distant qubits can be entangled. A novel way to realize qubits is the so-called topological quantum computation, where the symmetries of the system protect qubits from losing their information.
Majorana fermions are special „particles” which can be the basic building blocks of quantum computation. In this project we seek to engineer and find Majorana fermions in graphene, a single layer of graphite, coupled to superconductors. Graphene is a remarkable material, which has already many applications, and hopefully will serve as an ideal platform for the realization of Majorana fermions.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Wang Lujun, Zihlmann Simon, Liu Ming-Hao, Makk Péter, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Baumgartner Andreas, Schönenberger Christian: New Generation of Moiré Superlattices in Doubly Aligned hBN/Graphene/hBN Heterostructures, NANO LETTERS 19: (4) pp. 2371-2376., 2019 | | Zihlmann Simon, Makk Péter, Castilla Sebastián, Gramich Jörg, Thodkar Kishan, Caneva Sabina, Wang Ruizhi, Hofmann Stephan, Schönenberger Christian: Nonequilibrium properties of graphene probed by superconducting tunnel spectroscopy, PHYSICAL REVIEW B 99: (7) 075419, 2019 | | Indolese D. I., Delagrange R., Makk P., Wallbank J. R., Wanatabe K., Taniguchi T., Schönenberger C.: Signatures of van Hove Singularities Probed by the Supercurrent in a Graphene-hBN Superlattice, PHYSICAL REVIEW LETTERS 121: (13) 137701, 2018 | | Alessandro David, Péter Rakyta, Andor Kormányos, Guido Burkard: Induced spin-orbit coupling in twisted graphene-TMDC heterobilayers: twistronics meets spintronics, Arxiv preprint, 2019 | | Alessandro David, Péter Rakyta, Andor Kormányos, Guido Burkard: Induced spin-orbit coupling in twisted graphene-TMDC heterobilayers: twistronics meets spintronics, Phys. Rev. B 100, 085412, 2019, 2019 | | Simon Zihlmann, Péter Makk, Mirko K. Rehmann, Lujun Wang, Máté Kedves, David Indolese, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Dominik M. Zumbühl, Christian Schönenberger: Out-of-plane corrugations in graphene based van der Waals heterostructures, Arxiv, 2020 | | Wang Lujun, Zihlmann Simon, Baumgartner Andreas, Overbeck Jan, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Makk Péter, Schönenberger Christian: In Situ Strain Tuning in hBN-Encapsulated Graphene Electronic Devices, NANO LETTERS 19: (6) pp. 4097-4102., 2019 | | Lujun Wang, Péter Makk, Simon Zihlmann, Andreas Baumgartner, David I. Indolese, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, and Christian Schönenberger: Mobility Enhancement in Graphene by in situ Reduction of Random Strain Fluctuations, Phys. Rev. Lett., 124, 157701, 2020 | | Noel L. Plaszkó, Peter Rakyta, József Cserti, Andor Kormányos, Colin J. Lambert: Quantum interference and nonequilibrium Josephson current in molecular Andreev interferometers, arXiv:2004.10556, 2020 | | Indolese David I., Karnatak Paritosh, Kononov Artem, Delagrange Raphaëlle, Haller Roy, Wang Lujun, Makk Péter, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Schönenberger Christian: Compact SQUID Realized in a Double-Layer Graphene Heterostructure, NANO LETTERS 20: (10) pp. 7129-7135., 2020 | | Bálint Fülöp, Albin Márffy, Endre Tóvári, Máté Kedves, Simon Zihlmann, David Indolese, Zoltán Kovács-Krausz, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Christian Schönenberger, István Kézsmárki, Péter Makk, Szabolcs Csonka: Transport measurements on van der Waals heterostructures under pressure, arXiv:2103.14617, 2021 | | Bálint Fülöp, Albin Márffy, Simon Zihlmann , Martin Gmitra , Endre Tóvári, Bálint Szentpéteri, Máté Kedves (1), Kenji Watanabe (4), Takashi Taniguchi, Jaroslav Fabian, Christian Schönenberger, Péter Makk, Szabolcs Csonka: Boosting proximity spin orbit coupling in graphene/WSe2 heterostructures via hydrostatic pressure, arXiv:2103.13325 Search... Help | Advanced Search All fields, 2021 | | Kovács-Krausz Zoltán, Hoque Anamul Md, Makk Péter, Szentpéteri Bálint, Kocsis Mátyás, Fülöp Bálint, Yakushev Michael Vasilievich, Kuznetsova Tatyana Vladimirovna, Tereshchenko Oleg Evgenevich, Kokh Konstantin Aleksandrovich, Lukács István Endre, Taniguchi Takashi, Watanabe Kenji, Dash Saroj Prasad, Csonka Szabolcs: Electrically Controlled Spin Injection from Giant Rashba Spin–Orbit Conductor BiTeBr, NANO LETTERS 20: (7) pp. 4782-4791., 2020 | | Lujun Wang, Andreas Baumgartner, Péter Makk, Simon Zihlmann, Blesson S. Varghese, David I. Indolese, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Christian Schönenberger: Global strain-induced scalar potential in graphene devices, https://arxiv.org/abs/2009.03035, accepted to Nat. Comm. Phys, 2021 | | Mátyás Kocsis, Oleksandr Zheliuk, Péter Makk, Endre Tóvári, Péter Kun, Oleg Evgenevich Tereshchenko, Konstantin Aleksandrovich Kokh, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Justin Ye, Szabolcs Csonka: In situ tuning of symmetry-breaking induced non-reciprocity in giant-Rashba semiconductor BiTeBr, arXiv:2008.06003, 2020 | | Zihlmann Simon, Makk Peter, Rehmann Mirko K., Wang Lujun, Kedves Mate, Indolese David I., Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Zumbuehl Dominik M., Schoenenberger Christian: Out-of-plane corrugations in graphene based van der Waals heterostructures, PHYSICAL REVIEW B 102: (19) 195404, 2020 | | Zihlmann Simon, Makk Péter, Castilla Sebastián, Gramich Jörg, Thodkar Kishan, Caneva Sabina, Wang Ruizhi, Hofmann Stephan, Schönenberger Christian: Nonequilibrium properties of graphene probed by superconducting tunnel spectroscopy, PHYSICAL REVIEW B 99: (7) 075419, 2019 | | Wang Lujun, Zihlmann Simon, Liu Ming-Hao, Makk Péter, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Baumgartner Andreas, Schönenberger Christian: New Generation of Moiré Superlattices in Doubly Aligned hBN/Graphene/hBN Heterostructures, NANO LETTERS 19: (4) pp. 2371-2376., 2019 | | Alessandro David, Péter Rakyta, Andor Kormányos, Guido Burkard: Induced spin-orbit coupling in twisted graphene-TMDC heterobilayers: twistronics meets spintronics, Phys. Rev. B 100, 085412, 2019, 2019 | | Wang Lujun, Zihlmann Simon, Baumgartner Andreas, Overbeck Jan, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Makk Péter, Schönenberger Christian: In Situ Strain Tuning in hBN-Encapsulated Graphene Electronic Devices, NANO LETTERS 19: (6) pp. 4097-4102., 2019 | | Lujun Wang, Péter Makk, Simon Zihlmann, Andreas Baumgartner, David I. Indolese, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, and Christian Schönenberger: Mobility Enhancement in Graphene by in situ Reduction of Random Strain Fluctuations, Phys. Rev. Lett., 124, 157701, 2020 | | Noel L. Plaszkó, Peter Rakyta, József Cserti, Andor Kormányos, Colin J. Lambert: Quantum interference and nonequilibrium Josephson current in molecular Andreev interferometers, Nanomaterials 10, 1033 (2020), 2020 | | Zihlmann Simon, Makk Peter, Rehmann Mirko K., Wang Lujun, Kedves Mate, Indolese David I., Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Zumbuehl Dominik M., Schoenenberger Christian: Out-of-plane corrugations in graphene based van der Waals heterostructures, PHYSICAL REVIEW B 102: (19) 195404, 2020 | | Bálint Fülöp, Albin Márffy, Endre Tóvári, Máté Kedves, Simon Zihlmann, David Indolese, Zoltán Kovács-Krausz, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Christian Schönenberger, István Kézsmárki, Péter Makk, Szabolcs Csonka: New method of transport measurements on van der Waals heterostructures under pressure, Journal of Applied Physics 130, 064303 (2021), 2021 | | Bálint Fülöp, Albin Márffy, Simon Zihlmann , Martin Gmitra , Endre Tóvári, Bálint Szentpéteri, Máté Kedves (1), Kenji Watanabe (4), Takashi Taniguchi, Jaroslav Fabian, Christian Schönenberger, Péter Makk, Szabolcs Csonka: Boosting proximity spin orbit coupling in graphene/WSe2 heterostructures via hydrostatic pressure, npj 2D Materials and Applications 5, 1 (2021), 2021 | | Lujun Wang, Andreas Baumgartner, Péter Makk, Simon Zihlmann, Blesson S. Varghese, David I. Indolese, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Christian Schönenberger: Global strain-induced scalar potential in graphene devices, Nat. Comm. Phys. 4, 147 (2021), 2021 | | Mátyás Kocsis, Oleksandr Zheliuk, Péter Makk, Endre Tóvári, Péter Kun, Oleg Evgenevich Tereshchenko, Konstantin Aleksandrovich Kokh, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Justin Ye, Szabolcs Csonka: In situ tuning of symmetry-breaking induced non-reciprocity in giant-Rashba semiconductor BiTeBr, Phys. Rev. Research 3, 033253 (2021), 2020 | | Bálint Szentpéteri, Peter Rickhaus, Folkert K de Vries, Albin Márffy, Bálint Fülöp, Endre Tóvári, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Andor Kormányos, Szabolcs Csonka, Péter Makk: Tailoring the flat bands in twisted double bilayer graphene, Nano Letters 21, 8777, 2021 | | Csaba G. Péterfalvi, Alessandro David, Péter Rakyta, Guido Burkard, Andor Kormányos: Quantum interference tuning of spin-orbit coupling in twisted van der Waals trilayers, arXiv:2111.02781, 2021 | | Olivér Kürtössy, Zoltán Scherübl, Gergő Fülöp, István Endre Lukács, Thomas Kanne, Jesper Nygård, Péter Makk, Szabolcs Csonka: Parallel InAs nanowires for Cooper pair splitters with Coulomb repulsion, arXiv:2203.14397, 2022 | | Tosson Elalaily, Olivér Kürtössy, Zoltán Scherübl, Martin Berke, Gergő Fülöp, István Endre Lukács, Thomas Kanne, Jesper Nygård, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Péter Makk, Szabolcs Csonka: Gate-controlled supercurrent in an epitaxial Al/InAs nanowire,, Nano Letters, 21, 9684, 2021 | | Olivér Kürtössy, Zoltán Scherübl, Gergő Fülöp, István Endre Lukács, Thomas Kanne, Jesper Nygård, Péter Makk, Szabolcs Csonka: Andreev molecule in parallel InAs nanowires,, Nano Letters , 21, 7929 (2021), 2021 | | T. Elalaily, O. Kürtössy, V. Zannier, Z. Scherübl, I. Endre Lukács, P. Srivastava, F. Rossi, L. Sorba, Sz. Csonka, P. Makk: Probing proximity induced superconductivity in InAs nanowire using built-in barriers, Phys. Rev. Applied 14, 044002 (2020), 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
