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Majorana Fermions and Parafermions in Topological Insulators

English title Majorana Fermions and Parafermions in Topological Insulators
Applicant Loss Daniel
Number 179544
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Physik Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.05.2020 - 30.04.2023
Approved amount 474'087.00
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Keywords (3)

Majorana fermions and parafermions; topological insulators; superconductivity

Lay Summary (German)

Lead
Unser Forschubgsprojekt befasst sich mit der theoretischen Quantenphysik von Festkoerpersystemen mit Schwerpunkt auf topologischen Effekten. Es werden neuartige Halbleitersysteme untersucht, sogenannte topologischen Isolatoren, die vielversprechende Anwendungen haben koennen, unter anderem fuer den Bau eines Quantencomputers.Das internationale Forschungskonsortium besteht aus theoretischen und experimentellen Wissenschaftlern, die Pionierarbeit auf diesem Gebiet geleistet haben.
Lay summary
Topologische Isolatoren und topologische Supraleiter sind eine neue Klasse von Materialien, deren Erforschung erst am Anfang steht. Eines der herausragenden Merkmale dieser Systeme sind neuartige Randzustaende mit faszinierenden exotischen Eigenschaften wie zum Beispiel Majorana Fermionen. Diese Teilchen wurden vor vielen Jahrzehnten als neuartige Bausteine der Materie in der Teilchenphysik vorgeschlagen und lassen sich heute aber im Festkoerper unter ganz speziellen Umstaenden kuenstlich erzeugen. Diese Teilchen haben sogenannte nicht-Abelsche Eigenschaften, die neue faszinierende Moeglichkeiten eroeffnen, unter anderem das Konzept des topologischen Quantencomputers, der im Idealfall immun gegen die  schaedlichen Einlfluesse der Umgebung auf die Quantenkohaerenz ist.  In diesem Projekt werden zum erstenmal topologische Isolatoren mit Wechselwirkung systematisch untersucht und die moegliche Existenz weiterer exotischer Quasiteilchen wie Parafermionen theoretisch und experimentell studiert. Dieses Projekt wird von einem internationalem Deutsch-Schweizerischen Konsortium ausgefuehrt, mit teilnehmenden Gruppen aus Basel und Wuerzburg, die beide bereits Pionierarbeit auf diesem Gebiet geleistet haben.
Direct link to Lay Summary Last update: 03.02.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

RESEARCH SUMMARYTopological insulators and topological superconductors (TSCs) constitute a new class of quantum materials with a gapped bulk spectrum and gapless surface states. Due to topology, the appearance of these surface states is remarkably robust against external perturbations.In this proposal, we want to discover feasible ways to identify and manipulate Majorana fermions (MFs) and parafermions (PFs) in topological insulator hybrid structures. MFs and PFs are fractional excitations that appear as boundary states of TSCs. They are known to be building blocks for qubits of a topological quantum computer.The system we have identified as the most promising platform for this task is a bilayer quantum spin Hall insulator in proximity to an ordinary s-wave superconductor. In that nanostructure, we expect a complex interplay between helicity, intra- and inter-layer Coulomb interaction, disorder, and superconducting order. The Basel and Würzburg groups, involved in the project, nicely complement each other in terms of theoretical skills (Basel: quantum computing; Würzburg: quantum transport) and the experimental ability (at Würzburg) to actually implement this challenging system in the laboratory. We are therefore confident that we will develop innovative ideas to generate and control MFs and PFs at will within this consortium.
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