Majorana fermions and parafermions in topological insulators

• Applicants: Professor Dr. Laurens W. Molenkamp; Professor Dr. Björn Trauzettel
• Subject Area: Theoretical Condensed Matter Physics ; Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2018 to 2025
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 400711809

• Final Report Year: 2025

Final Report Abstract

Es bleibt ein weiter Weg, Majorana Fermionen oder sogar Parafermionen in topologischen Materialien zu entdecken und zu manipulieren. Dafür bedarf es kleiner Schritte in vielversprechenden Materialsystemen. HgTe in Kombination mit Supraleitern und Ferromagneten gehört zweifelsfrei in diese Kategorie. Das liegt an den besonderen physikalischen Eigenschaften und an der besonderen Qualität dieses Materialsystems. Je nach Substrat kann es verschiedene, topologische Phasen annehmen, beispielsweise als Quanten-Spin-Hall-Isolator oder als Weyl-Semimetall. Daher lohnt es sich, für diese Materialklasse neue Ideen für Hybridstrukturen zu entwickeln, um uns der Entdeckung von Majorana Fermionen ein Stück näher zu bringen. Letztlich benötigen wir ein tiefes Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Josephsonkontakten in solchen Materialsystemen. Dafür muss man nicht nur das (komplexe) System im Detail verstehen, sondern auch die Kopplung desselben an die elektromagnetische Umgebung. Nur so lassen sich genuine Effekte von Umgebungseinflüssen unterscheiden. In diesem Projekt sind wir dem ambitionierten Ziel, Majorana Fermionen oder sogar Parafermionen in topologischen Materialien zu entdecken und zu manipulieren, ein Stück nähergekommen. Unsere theoretischen Vorhersagen erweitern die möglichen Plattformen und die Detektionen der charakterisierenden Zustände. Paradebeispiel hierfür ist die Kombination von Supraleitern und Quantenpunktkontakten in Josephsonkontakten. Auch von experimenteller Seite haben wir diese besonderen Josephsonkontakte in HgTe-Quantentrögen implementiert und charakterisiert. Das sind vielversprechende Entwicklungen, die wir in Zukunft weiter ausbauen möchten.

Publications

• Interacting topological edge channels. Nature Physics, 16(1), 83-88.
  Strunz, Jonas; Wiedenmann, Jonas; Fleckenstein, Christoph; Lunczer, Lukas; Beugeling, Wouter; Müller, Valentin L.; Shekhar, Pragya; Ziani, Niccolò Traverso; Shamim, Saquib; Kleinlein, Johannes; Buhmann, Hartmut; Trauzettel, Björn & Molenkamp, Laurens W.
  
• Voltage-tunable Majorana bound states in time-reversal symmetric bilayer quantum spin Hall hybrid systems. Physical Review B, 100(16).
  Schulz, F.; Budich, J. C.; Novik, E. G.; Recher, P. & Trauzettel, B.
  
• From fractional solitons to Majorana fermions in a paradigmatic model of topological superconductivity. Physical Review B, 101(19).
  Ziani, N. Traverso; Fleckenstein, C.; Vigliotti, L.; Trauzettel, B. & Sassetti, M.
  
• Holonomic implementation of CNOT gate on topological Majorana qubits. SciPost Physics Core, 3(2).
  Calzona, Alessio; Bauer, Nicolas & Trauzettel, Björn
  
• Formation and detection of Majorana modes in quantum spin Hall trenches. Physical Review B, 103(12).
  Fleckenstein, C.; Ziani, N. Traverso; Calzona, A.; Sassetti, M. & Trauzettel, B.
  
• Finite Field Transport Response of a Dilute Magnetic Topological Insulator-Based Josephson Junction. Nano Letters, 22(9), 3557-3561.
  Mandal, Pankaj; Taufertshöfer, Nicolai; Lunczer, Lukas; Stehno, Martin P.; Gould, Charles & Molenkamp, Laurens W.
  
• Spin-resolved spectroscopy of helical Andreev bound states. Physical Review Research, 4(1).
  Calzona, Alessio & Trauzettel, Björn