Intrinsische und Nähe-getriebene topologische Supraleitung

Veranlasst durch den steigenden Bedarf an Miniaturisierung, verlässlicher Skalierbarkeit und Multifunktionalität von Bauteilen der nächsten Generation, wurden die letzten Jahre Zeuge eindrucksvoller Forschungsaktivitäten im Bereich: (i) Spintronik, bei der die Speicherung, Übertragung und Prozessierung von Informationen nicht nur durch Ladungen stattfindet, sondern auch durch den Freiheitsgrad des Spins; (ii)zweidimensionaler (2D) geschichteter Materialien über Graphen hinaus, die exzeptionelle elektrische und optische Eigenschaften zeigen; (iii) topologischer Isolatoren, d.h. Materialien die im Volumen isolierend sind aber an ihren Oberflächen einen Ladungsfluss zulassen. Im Zusammenspiel von Materialsystemen mit unterschiedlichen Eigenschaften können neuartige physikalische Mechanismen herbeigeführt werden, die neue Perspektiven in der Realisierung von robusten, energiesparenden und umweltfreundlichen Bauelementen eröffnen. Zum Beispiel können durch die Kombination von Supraleitern mit magnetischen Materialien unkonventionelle Nähe-getriebene, supraleitende Zustände ermöglichen, die Spintransport mit minimaler Dissipation erlauben. Außerdem zeichnet die jüngst erfolgte experimentelle Bestätigung von niederenergetische Quasipartikel in topologische Materialien, die in Supraleitern als Majorana- Fermionen identifiziert wurden, topologische Supraleiter als geeignete Systeme für geschütztes Quantencomputing aus. Es gibt jedoch noch viel Raum für die Identifizierung der am besten geeigneten Materialkombinationen, die die relevanten Funktionalitäten mit kontrollierbarer Skalierbarkeit und Miniaturisierung vereinen. Das Schlüsselziel dieses Projekts liegt daher in der grundlegenden Untersuchung von intrinsischer und Nähe-getriebener Supraleitung in ausgewählten Kombinationen von 2D Schichten aus Nitrid-Halbleitern und kristallinen topologischen Isolatoren, um eine neue Plattform für unkonventionelle Supraleitung zu schaffen und Majorana-Fermionen zu stabilisieren. Wir werden deshalb das extensive Protokoll für Kristallwachstum, fortschrittliche (Nano-)Charakterisierung und theoretische Analyse, entwickelt im Rahmen früherer genehmigter Projekte, adaptieren und wesentlich erweitern. Mit diesen Ingredienzien ist es uns bereits gelungen, durch kontrollierte Korrelation und Reproduzierbarkeit der Herstellungsparameter, der strukturellen Anordnung und der physikalisch/chemischen Eigenschaften von magnetisch dotierten (Nitrid- )Halbleitern und Isolatoren eindrucksvolle Funktionalitäten zu erzielen. Der hier vorgeschlagene Forschungsplan, der substantiell auf dem Studium des Zusammenspiels zwischen Grenzschichteffekten, Austauschwechselwirkung, Spin-Bahn Kopplung und supraleitender Korrelation aufbaut, wird voraussichtlich einen wichtigen Einfluss auf die Identifikation von Schlüsselmaterialien und generell auf die Zukunftsaussichten topologischer Materie, von 2D Materialien und unkonventioneller Supraleitung haben, die eine wesentliche Rolle in kommenden Entwicklungen der Informationsverarbeitung spielen werden.

Quantenmaterialien haben ungewöhnliche Eigenschaften, welche, sobald sie verstanden und kontrolliert werden, die nächste Generation von extrem energieeffizienten, schnellen und genauen Geräten ermöglichen. Die außergewöhnlichen Eigenschaften von Quantenmaterialien ergeben sich aus Wechselwirkungen auf atomarer und subatomarer Ebene, in der feste Materie ihre herkömmliche Ordnung verliert und Quantenphänomene entstehen. Im Rahmen dieses Projekts haben wir das Protokoll zur Herstellung und zur fortgeschrittenen Charakterisierung, das wir zuvor entwickelt hatten, verfeinert und auf neue Klassen von Materialien und Strukturen ausgedehnt, mit dem Ziel, neu entstehende Mechanismen zu identifizieren, die an der Schnittstelle von topologischen Isolatoren, zweidimensionale(2D)-Schichtsystemen und Supraleitern entstehen. Insbesondere haben wir dazu beigetragen: (i) die Eröffnung neuer Perspektiven für die Kontrolle optischer/magnetischer Wechselwirkungen und von Quantenanomalien in 2D Materialsystemen; (ii) die Schaffung der Grundlagen für die Entwicklung von Plattformen, die 2D-Systeme und topologische Isolatoren kombinieren; (iii) das Verständnis der robusten Supraleitung, die in magnetisch dotierten Nitriden mit Magnetismus koexistiert. Darüber hinaus haben wir den Weg zum Verständnis und zur Kontrolle von antiferromagnetischen 2D-Schichtstrukturen geebnet und ein System entworfen und realisiert, dass die Durchführung von drehwinkelabhängigen Magnetotransportmessungen bei hohen Magnetfeldern und kryogenen Temperaturen ermöglicht. Es wird erwartet, dass unsere Ergebnisse einen bedeutenden Einfluss auf das Verständnis und die Kontrolle von hybriden Heterostrukturen als Bausteine für die nächste Generation von nichtflüchtigen, energiesparenden Bauelementen haben werden. Weiters können diese Strukturen als aktive Elemente für die Erkennung von z. B. schwer fassbarer dunkler Materie und ultraschwachen Magnetfeldern entwickelt werden.