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Two-dimensional semiconductor platforms for superconductor hybrid nanostructures

English title Two-dimensional semiconductor platforms for superconductor hybrid nanostructures
Applicant Baumgartner Andreas
Number 182081
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 01.05.2019 - 30.04.2023
Approved amount 286'550.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Material Sciences

Keywords (13)

Majorana bound states; Quantum physics; Nanoelectronics; Superconductor; 2D Materials; Semiconductor; Topological states; Van der Waals materials; Quantum confinement; Josephson effect; Low dimensions; Spin-orbit interaction; TMDC

Lay Summary (German)

Lead
In den letzten Jahren hat sich eine neue Strategie etabliert, um aus herkömmlichen, geschichteten Kristallen zwei-dimensionale, atomar dünne Schichten zu neuen Materialien zu kombinieren, und zu elektronischen Bauteilen zu verarbeiten. Bisher werden diese Methoden mit immensem Erfolg vor allem dazu eingesetzt, Bauteile aus Kohlenstoff (Graphene) zu erstellen, das aber im Wesentlichen metallisch ist und nicht die begehrten Eigenschaften eines Halbleiters besitzt.In diesem Projekt werden wir geeignete atomar dünne Halbleiter identifizieren und mit neuen Fabrikationsmethoden zu neuartigen elektronischen Bauteilen zusammenfügen und bei sehr tiefen Temperaturen (etwa -273 °C) vermessen, mit dem Ziel, neuartige physikalische Effekte und exotische Zustände der Materie zu finden.
Lay summary

Hauptziel dieses Forschungsprojekts ist es, eine neue, vielseitig anwendbare Halbleiter Materialplattform für quantenphysikalische Experimente zu finden. Dazu verfolgen wir vor allem zwei Ziele: 1) Elektronische Bauteile dieser Materialien so klein zu machen, dass wir Effekte der Quantenmechanik studieren können, vor allem der Spin-Bahnwechselwirkung, die bei einigen der zwei-dimensionalen Materialien besonders stark sein können, und 2) diese Halbleitermaterialien mit Supraleitern zu kombinieren, um neuartige Zustände der Materie und Effekte der Supraleitung zu entdecken. Da bei Supraleitern die Elektronen als Paare auftreten, fliesst der elektrische Strom zum Beispiel ohne Widerstand. Es wird erwartet, dass die Elektronen eines herkömmlichen Supraleiters diesen „Paartanz“ in einem angekoppelten Halbleiter weiterführen und dabei neue Effekte auftreten, die zum einen aus Sicht der Grundlagenforschung interessant sind, aber auch Anwendung in zukünftigen Quantentechnologien finden könnten.

Direct link to Lay Summary Last update: 15.02.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Abstract

We aim to develop a new material platform for nanoelectronic devices, with a strong focus on superconducting hybrid systems based on two-dimensional (2D) semiconducting layered materials (2D-SC) with a strong intrinsic spin-orbit interaction (SOI). We will establish standard surface bulk and 1D side-contacts in encapsulated 2DSCs and perform “standard” experiments in this new type of structures, for example the measurement of a Josephson current, weak (anti-) localization and the quantum Hall effect. These experiments will form the basis for first Majorana bound state devices in a new type of geometry, and develop first topgate-defined nanostructures, with the aim to fabricate gate-tunable quantum dots and Cooper pair splitters. This project will pave the way towards deterministic double nanowire devices expected to host Parafermions, a generalization of Majorana bound states and many other more exotic superconductor-semiconductor hybrid structures.
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