Project

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Low Temperature Scanning Probe Microscopy to detect Majorana fermions and magnetic molecules on topological insulators

Applicant Meyer Ernst
Number 177021
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Departement Physik Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.01.2018 - 30.11.2020
Approved amount 423'270.00
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Keywords (4)

scanning tunneling microscopy; scanning probe microscopy; atomic force microscopy; Majorana fermions

Lay Summary (German)

Lead
Tieftemperature-Rastersondenmikroskop zur Messung von Majorana Fermionen und magnetischen Molekülen auf topologischen IsolatorenZiel dieses R’Equip Projektes ist es ein kombiniertes Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskop für Temperaturen von 1K und Magnetfeldern bis 3 Tesla aufzubauen. Ein Joule-Thomson Kryostat wird benötigt, um diese Temperaturen zu erreichen.
Lay summary

Es wird erwartet, dass die energetische Auflösung mittels Tunnelstrom-Spektroskopie gegenüber Bad-Kryostaten verbessert wird. Ferner können mittels Magnetfeld die Bedingungen für die Untersuchung von Majorana Fermionen besser kontrolliert werden. Der Fokus der Experimente wird auf atomare Eisendrähte gelegt, welche auf Supraleitern deponiert werden.  Dann können mittels Tunnelspektroskopie sowie Kraftmikroskopie die Majorana Fermionen an den Enden dieser Drähte untersucht werden. Mit der verbesserten Auflösung der Tunnelspektroskopie werden Rückschlüsse über die Supraleiter-Eigenschaften möglich und die Lokalisierung der Majorana Fermionen bestimmt. Ferner können durch Anlegen von äusseren Magnetfeldern auch die magnetischen Eigenschaften der atomaren Eisen-Drähte bestimmt werden.  Dank der längeren Helium Standzeiten können Einzel-Atom-Manipulationen durchgeführt werden und die Grösse der Drähte verändert werden. Es können einzelne Defekte eingefügt werden und deren Einfluss auf die Bildung der Majorana Fermionen untersucht werden. Als zweites Forschungsgebiet werden organische Moleküle mit magnetischen Zentren auf topologischen Isolatoren untersucht. Hier wird die Wechselwirkung der magnetischen Moleküle mit dem topologischen Oberflächenzustand untersucht. Durch Anlegen von Magnetfeldern kann die Störung dieser Zustände verstärkt werden. 

Direct link to Lay Summary Last update: 20.11.2017

Responsible applicant and co-applicants

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
175501 Neue Einsichten in die Sonden-Proben-Wechselwirkung bei den Rastersondenmethoden 01.10.2017 Project funding (Div. I-III)
188445 Neue Einsichten in die Sonden-Proben-Wechselwirkung bei den Rastersondenmethoden 01.10.2019 Project funding (Div. I-III)

Abstract

We propose to purchase a Joule-Thomson Scanning Probe Microscope, which combines scanning tunneling microscopy and atomic force microcopy at temperatures below 1K and magnetic fields up to 3T. Thanks to the lower temperature, we can utilize tunneling spectroscopy with enhanced energy resolution and perform force microscopy with improved force resolution. We plan to investigate Majorana fermions, which form at the end of magnetic wires deposited on s-wave superconductors. Scanning tunneling spectroscopy at temperatures below 1K will be used to image these wires and to detect the Majorana bound states by local density of states (LDOS) mapping around zero voltage. In addition to the imaging of the Majorana wave functions by LDOS mapping we plan to observe the bound states by force microscopy. Due to the long liquid He holding time (>120h), we also plan to perform single atom manipulation experiments to inves-tigate the influence of the length and structure of these wires on the Majorana wave function. Furthermore, we plan to investigate the magnetic structure of the atomic wires by magnetic force microscopy and by spin-polarized tunneling microscopy. So far, the theoretically predicted helical structure was not observed for these systems. At a later stage, more complex atomic structures, such Y-shaped wires, are assembled by atomic manipulation and first braiding experiments with Majorana fermions are envisaged. A second strand of experiments is focused on magnetic molecules deposited on topological insulators. Molecules with magnetic moments are of interest to investigate the interaction with the TI interface state. The use of magnetic fields will allow us to investigate the magnetic interaction by tunneling and force microscopy. Apart from topographic imaging and orbital imaging, we propose to investigate the magnetic moments of the molecules and their interaction with the chiral spin structure. We plan to modify the spin/charge states and the intermolecular spacing in order to vary the coupling to the interface states. A third and more common goal of the new instrument will tackle experiments on single atoms and single molecules as well as 2d assemblies (e.g. graphene nanoribbons) in general having potential magnetic properties on various metallic surfaces or thin insulating films. The main progress will be to conduct high-resolution imaging experiments as well as more elaborated force spectroscopic measurements on those systems at temperatures below 1K and magnetic fields. The development of piezo-electrical force sensors using superconducting or magnetic tips will enable more detailed control over the experimental conditions and the possibility of spin-sensitive force measurements on established and high spectral resolution in conductance measurements.
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