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Quantum-Transport Phenomena in Hybrid Devices based on Nanowires *new*

English title Quantum-Transport Phenomena in Hybrid Devices based on Nanowires
Applicant Schönenberger Christian
Number 192027
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 01.04.2020 - 31.03.2023
Approved amount 969'597.00
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Keywords (12)

Quantum Electronics; Semiconducting Nanowire; Topological Superconductor; Nanoelectronics; Nanowire; Andreev Bound States; Electrical Properties in Low Dimensions; Subgap States in Superconducting Hybrid Systems; Electronic Properties of Nanostructures; Superconductivity; Charge- and Spin Transport in Nanostructures; Majorana Fermions

Lay Summary (German)

Lead
Majorana Fermionen konnten in der Teilchenphysik nie nachgewiesen werden. Die Theorie zeigt aber, dass dies durche eine geeignete Materialwahl in Festkörpern möglich sein sollte. Obwohl es eine grosse Vielzahl von Experimenten gibt, ist die Evidenzbasis immer noch sehr bescheiden. Dies wollen wir in diesem Projekt verbessern.
Lay summary

Bis vor kurzem dachte man, dass es in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit nur zwei mögliche Materialien gibt: der elektrische Isolator und der elektrische Leiter. Inzwischen wurden neue Zwitterformen gefunden. Materialien, die im Inneren Isolatoren sind, am Rand aber elektrische Leiter. Ein gut studiertes Beispiel ist der Zustand, der ein zweidimensionaler Leiter in einem starken senkrechten Magnetfeld annimmt: der Quantenhalleffekt. Darin wird das Material, obwohl anfänglich ein Leiter zu einem Isolator im «inneren». Am Rand fliesst aber ein Strom, und zwar sehr, sehr gut! Diese störungsfreie perfekte Leitfähigkeit am Rand macht dieses Material zu einem «topologischen Isolator». Man kann auch topologische Isolatoren in eindimensionalen Leitern erzeugen, wenn eine genügende hohe Spin-Bahnkopplung und ein äusseres Magnetfeld vorhanden sind. Wir so ein topologischer Isolator mit einem Supraleiter verbunden, entstehen Randzustände innerhalb der Bandlücke bei Energie Null, die sich wie sogenannte Majorna Fermions (MFs) verhalten. MFs stehen heute im Fokus der Kondensierten Materie, weil diese Teilchen Eigenschaften besitzen, die sie für «Quantum Computing» auszeichnen. Obwohl in Experimenten einige Hinweise zur Existenz der MFs präsentiert wurden, ist die Evidenzbasis noch immer sehr schwach, da die interessanten Eigenschaften der MFs bis heute nicht nachgewiesen wurden. In diesem Projekt wollen wir Experimente an Zuständen in der Bandlücke eines mit einem Supraleiter verbundenen Nanodrahtes durchführen, die spezifische Eigenschaften der MFs testen. Dazu bringen wir unsere langjährige Erfahrung an sogenannten nicht-lokalen Messungen in das Projekt ein. Unser Ziel ist es mitzuhelfen, eine klarere Evidenzbasis für oder gegen MFs zu erstellen

Direct link to Lay Summary Last update: 29.03.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
183306 High Performance Transmission Electron Microscope for Present and Future Nanomaterials 01.01.2019 R'EQUIP
175341 Topological quantum states in double nanowire devices 01.04.2018 ERA-NET
172638 Quantentransport Phänomene in Nanodrähten 01.04.2017 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Quasi-particles with unconventional properties appear at the edges of a topological insulators (TI) proximity coupled to a superconductor (SC). The material than turns into a topological SC (TS). In the simplest case of one dimension (1D), for example, two quasiparticles emerge at zero energy at the ends with properties of Majorana fermions (MFs), particles with non-abelian braiding statistics, and in this context also known as Majorana zero modes (MZM) or Majorana bound states (MBSs). A pair of MBSs encode for one fermion. Conventional subgap states that encode for a single fermion degree are Andreev bound states (ABS) that have no topological origin. A pair of MBSs can thus be viewed as an unconventional ABS that appears at zero energy with a non-local wavefunction. The encoded fermion is split between the two ends: one half is located at the left end and the other at the right. This peculiar “halving” of a fermion can even persist to very long distances in theory. 1D TS can be realized in semiconducting nanowires (NWs) with large spin-orbit interaction. While experimental evidence of certain aspects of MBSs is accumulating, there is no definite proof yet. On the contrary, there is a comparable, or even a larger amount of publications that find agreement of the current observation to conventional ABSs. However, ABSs and MBSs can be distinguished by experiments that probe the non locality, hence, by multi-terminal experiments. Our team at the University of Basel has many years of experience in realizing and studying multi-terminal hybrid devices with superconducting contacts. We have embarked on the study of subgap sates in InAs nanowires (NWs) already with the previous SNF grant. In this follow-up application for an “Excellence Grant”, invited by the SNF, we propose to conduct key experiments that can distinguish MBSs from ABSs. The newly developed InAs NWs with built-in quantum dots (QD), developed in the previous SNF grant, will serve as the basic building block to a) study the MBSs with high energy resolution, shedding light on the “soft-” versus “hard-” gap problem b) explore long-distance hybridization between two “remote” QDs coupled by the MBS pair and other tests of the coherence of Majorana pair teleportation, and c) to study NW-based topological Josephson junctions, their current-phase relation and Josephson radiation properties.
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