Quanteninterferenz und -verschränkung von helikalen Supraströmen in Dirac-artigen Materialien

• Antragsteller: Dr. Grigory Tkachov, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 292118933

Zur Zeit werden große Anstrengungen unternommen, um supraleitende Phänomene in Materialien mit Dirac-artigen Fermionen, wie - um nur einige wenige zu nennen - Graphen, Topologische Isolatoren, Silicen und Molybdändisulfid, zu verstehen. In diesen Materialien werden elektronische Prozesse beeinflusst durch geometrische (Berry-) Phasen, welche durch die Kopplung von Spin (oder Pseudospin) an die Bewegungsrichtung, auch Helizität genannt, entstehen. Dies verursacht die auffälligen Eigenschaften der Dirac-Materialien, welche von der Unterdrückung der Rückstreuung und schwacher Antilokalisierung bis zu der vorhergesagten p-Wellen Supraleitung und topologischen Entartungen zusammen mit Majorana Null-Moden reichen. Während letztere schon ausgiebig in der Forschungsgemeinschaft diskutiert wurden, wurden viele damit zusammenhängende Phänomene der supraleitenden Dirac-Systeme bisher kaum erforscht. Dieses Projekt adressiert eines dieser Phänomene, nämlich die Detektion und Quantenkontrolle von helikalen Supraströmen in Dirac-Materialien. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung wurde kürzlich in Experimentan an zweidimensionalen Topologischen Isolatoren, welche als schwacher Josephson-Kontakt zwischen zwei Supraleitern fungieren, realisiert. Solche Hybridstrukturen wirken als supraleitende Quanteninterferometer auf der Nanoskala (nano-SQUIDs), in welchen die Interferenz zwischen helikalen Randkanälen auftritt und durch einen externen, magnetischen Fluss mit hoher Präzision kontrolliert werden kann. Diese Erkenntnisse könnten den Weg ebnen für mögliche Anwendungen in der Magnetometrie ultra kleiner Objekte und in der Konstruktion neuer Qubit-Systeme auf Basis von verschränkten helikalen Strömen. Abgesehen von möglichen Anwendungen könnte supraleitende Interferenz als Werkzeug zur Detektion von topologischen Null-Moden in Transportexperimenten dienen. Dieses Projekt zielt darauf ab diese Perspektiven theoretisch zu beurteilen, indem eine mikroskopische Beschreibung der Quanteninterferenz und der Verschränkung helikaler Supraströme in verschiedenen nano-SQUID-Strukturen entwickelt wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen