Transporteigenschaften von supraleitenden Hybridstrukturen auf der Basis von Quantentrögen mit regulären und invertierten Bandstrukturen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Alena Astakhova; Professor Dr. Patrik Recher
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317332961

Im Projekt soll die theoretische Untersuchung von Transporteigenschaften der Hybridstrukturen auf der Basis von HgTe und InAs/GaSb Quantentrögen in einem isolierenden oder halbleitenden Zustand mit invertierter oder regulärer Bandstruktur durchgeführt werden. Die Quantentröge im Kontakt mit s-Wellen-Supraleitern sollen betrachtet werden, wobei dem Einfluss von den Rashba- und Dresselhaus-Spin-Bahn-Kopplungen auf Transporteigenschaften besondere Beachtung geschenkt werden soll.Weiter sollen die Transporteigenschaften des Quantentroges im Kontakt mit einer normalen und einer supraleitenden Zuleitung unter dem Einfluss des Zeeman-Feldes analysiert werden. Die folgenden Eigenschaften von Hybridstrukturen, die auf die Spin-Bahn-Wechselwirkung zurückzuführen sind, wurden vor kurzem durch die Bandstrukturberechnungen vorhergesagt und sollen im Projekt in Bezug auf den Transport untersucht werden. Die erste ist die Umkehrung der Chiralität von Majorana-Randzuständen im topologischen Supraleiter, der in einem Quantentrog induziert wird, durch Änderung der relativen Stärke von den Rashba- und Dresselhaus-Spin-Bahn-Kopplungen, was von der Änderung der topologischen Invariante begleitet wird. Und die zweite ist die starke Variation der Rashba-Energie und des effektiven g-Faktors durch moderate Änderung des Potentialabfalls über die Quantentrog-Breite. Diese Eigenschaften könnten den Transport in Hybridstrukturen erheblich beeinflussen und die Möglichkeiten geben, diesen kontrolliert zu verändern.Außerdem sollen Transporteigenschaften vom Quantentrog mit invertierter Bandstruktur und der Zeeman-Energielücke in einem (magnetischen) Bereich, der in Kontakt mit supraleitenden Zuleitungen gebracht wird, untersucht werden. Dabei sollen zwei Fälle betrachtet werden: wenn der magnetische und die supraleitenden Bereiche an einem Rand des Quantentrogs induziert werden, und wenn die sich über die gesamte Strukturbreite (über die helikalen Randzustände auf gegenüberliegenden Seiten) erstrecken. Im zweiten Fall bilden vier Majorana-Fermionen (die laut theoretischer Vorhersagen in solchen Systemen existieren sollten) ein Qubit mit den logischen Basiszuständen der gleichen Parität. Wir erwarten, dass das Qubit durch die Variation der Phasendifferenz zwischen beiden supraleitenden Kontakten sowie durch die Überlappung von helikalen Randzuständen auf gegenüberliegenden Seiten der Probe durch die Gatterspannung manipuliert werden kann, was für die Quanteninformationsverarbeitung mit nicht-abelschen Anyonen interessant sein könnte.Die Analyse der Transporteigenschaften von Hybridstrukturen soll den Einfluss von Unordnung sowie im Fall einer invertierten Bandstruktur vom Quantentrog sowohl die Randzustands- als auch die Volumen-Transport-Beiträge gleichzeitig berücksichtigen. Die geplanten Berechnungen sollen realistischere Voraussagen über Transporteigenschaften in den analysierten Strukturen geben und sind wichtig für die Interpretation von zukünftigen Experimenten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen