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Topological quantum states in double nanowire devices

English title Topological quantum states in double nanowire devices
Applicant Schönenberger Christian
Number 175341
Funding scheme ERA-NET
Research institution Departement Physik Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.04.2018 - 31.03.2021
Approved amount 233'505.00
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Keywords (5)

semiconducting nanowire; majorana fermion; Andreev bound state; Crossed Andreev reflection; parafermion

Lay Summary (German)

Lead
Parafermionen sind spezielle Quantenteilchen, welche in halbleitenden Nanodrähten enstehen können. Sie haben interessante Eigenschaften, die für die Quantenirnformation von Bedeutung sein können.
Lay summary
Als frei im Vakuum vorkommende Teilchen mit Masse sind uns z.B. Elektronen und Protonen bekannt. Sie gehören zur Klasse der „Fermionen“. Aber auch das elektromagnetische Feld, welches für die elektrische Wechselwirkung verantwortlich ist, kann durch ein fundamentales Teilchen, dem Photon, beschrieben werden. Letzteres gehört der Klasse der Bosonen an. Diese beiden Kategorien, die Fermionen und Bosonen, haben ganz besondere Symmetrien. Ein fester Stoff, zum Beispiel der Halbleiter Silizium, besteht aus vielen Siliziumatomen, die durch chemische Kräfte aneinander gebunden sind. Der Ursprung der Bindungskräfte liegt in der Quantenphysik und entsteht durch ein kollektives Verhalten der sogenannten Valenzelektronen (die „äussersten“ Elektronen).  Silizium leitet unter gewissen Umständen Strom. Dafür sorgen die Valenzelektronen. Interessant ist nun, dass diese Valenzelektronen im kollektiven Verband andere Eigenschaften haben als freie Elektronen im Vakuum. Die effektive Masse kann zum Beispiel grösser oder kleiner sein, abhängig von der Bindungsstärke. 

Im Projekt mit dem Namen „Topologische Quantenzustände in Paaren von Nanodrähten“ geht es darum, spezielle Zustände zu erzeugen, die es im Vakuum gar nicht gibt. Wie soeben dargelegt, können Elektronenzustände in einem Festkörper neue Eigenschaften annehmen. Vor kurzem wurde gezeigt, dass es Isolatoren gibt, die auf einen „topologischen“ Charakter beruhen, sogenannte „Topologische Isolatoren“. Sie entstehen durch besondere Symmetrien und Wechselwirkungen, die über die Ladungswechselwirkung hinausgehen. Im Zusammenspiel mit einem Supraleiter und speziellen Geometrien, in diesem Fall Nanodrähten, ja sogar Paaren von Nanodrähten, können Quantenzustände entstehen, die effekti als Teilchen angesehen werden können und die für die Quantentechnologie, z.B. für die Verarbeitung von Quanteninformation, von grosser Bedeutung sein könnten. In unserem Projekt handelt es sich um Parafermione, welche wir experimentell nachweisen und deren Eigenschaften wir dann untersuchen möchten.
 
Direct link to Lay Summary Last update: 25.03.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
192027 Quantum-Transport Phenomena in Hybrid Devices based on Nanowires *new* 01.04.2020 Project funding (Div. I-III)
172638 Quantentransport Phänomene in Nanodrähten 01.04.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Topological quantum computing (TQC) is an emerging field with strong benefits for prospective applications, since it provides an elegant way around decoherence. The theory of TQC progressed very rapidly during the last decade from various qubit realizations to scalable computational protocols. However, experimental realization of these concepts lags behind. Important experimental milestones have been achieved recently, by demonstrating the first signatures of Majorana states which are the simplest non-Abelian anyons. However, to realize fully topologically protected universal quantum computation, more exotic anyons, such as parafermions are required. Thus, the unambiguous demonstration of parafermion states will have a great impact on the development of universal quantum computation.The experimental realization of parafermions is challenging, since they are based on the combination of various ingredients, such as crossed Andreev reflection, electron-electron or spin-orbit interaction, and high quality quantum conductors. Thus, the investigation of all these ingredients is essential and timely to achieve further experimental progress. The team of SuperTop is composed of six leading groups with strong and complementary experimental background in these areas with the aim to realize parafermions in double nanowire-based hybrid devices (DNW) for the first time.The main objectives of SuperTop are:a) development of different DNW geometries, which consist of two parallel 1D spin-orbit nanowires coupled by a thin superconductor stripe andb) investigation of the emerging exotic bound states at the superconductor/semiconductor interface of the DNW.SuperTop first grows state-of-the-art InAs and InSb based nanostructures, in particular InAs nanowires (NWs) with in-situ grown epitaxial superconducting layer, NWs with built-in InP barriers and InSb nanoflakes. Based on these high quality materials, different device geometries of DNW are fabricated and the emerging novel states are investigated. The topological character, quantum phase transition, coherence time, coupling strength to QED as key features of the engineered new states are planned to be addressed by various cutting-edge low temperature measurement techniques (e.g. non-local spectroscopy, noise, current-phase relationship measurement or integration into coplanar resonators).The experimental team of SuperTop is supported by in-house theoretical experts of TQC, who will contribute to the interpretation of the results and development of technologically feasible topologically protected quantum architectures.
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