Spin- and Valleytronics in Low-Dimensional Dirac Systems

Samspillet mellom spinn- og valleytronikk samt Dirac materialer og lav-dimensjonale strukturer representerer et produktivt forskningsområde. På den ene siden er slike systemer rike fra perspektivet til fundamental kvantefysikk. På den andre siden har slike systemer også et potensiale til å skape nanoskale anvendelser som har forbedret funksjonalitet sammenliknet med f.eks. konvensjonelle magnetiske materialer. Vi mener at det er både aktuelt og viktig å utvide nåværende kunnskap om hvordan spinn- og valleytronikk kan optimaliseres og finne nye måter man kan skape, vedlikeholde, og observere transport av disse frighetsgradene i slike systemer. Vi kommer til å avgjøre i hvilken grad det er mulig å optimalisere spinn- og valleypolarisert transport i Dirac materialer og andre lav-dimensjonale systemer, slik som tynn-film hybrid strukturer, ved å kontrollere båndgapet og vekselvirkningene i slike systemer. Dette kan oppnås gjennom proksimitets-vekselvirkning til ferromagneter og superledere, elektriske felt, samt fotoner. Dette prosjektet er spesifikt designet for å utvide eksisterende kunnskap i dette feltet ved å identifisere nye måter man kan generere effektiv transport som har polariserte kvantemekaniske frihetsgrader slik som spinn. Vi beskriver her to eksempler på resultater som er oppnådd i prosjektet: 1) Vi har bestemt den kvantemekaniske grunntilstanden til silicene, som er et uvanlig Dirac materiale hvor både spinn og valleyfrihetsgraden er aktive, når superledning er til stede. Vi har vist at dette påvirker systemet på en interessant måte med tanke på kvantetransport, nemlig at såkalte 0-pi overganger i superstrømmen kan kontrolleres elektrisk. Dette står i kontrast til vanlige metaller hvor slike overganger kontrolleres via et magnetisk felt. En elektrisk manipulasjon av superstrømmen er mulig pga. den unike gitterstrukturen til silicene og åpner døren for å undersøke elektrisk kontroll over dissipasjonsløs transport av spinn og valleyfrihetsgrader. 2) I samarbeid med eksperimentalister fra Cambridge University, har vi vist at Dirac-materialet grafen kan fremvise p-bølge superledning når den plasseres i kontakt med materialet PCCO. Grafen er igjen et eksempel på et materiale hvor valleyfrihetsgraden er aktiv og tilstedeværelsen av superledning kobler eksplisitt valleys i dette materialet. Ved å kombinere eksperimentelle STM-målinger av tilstandstettheten med teoretiske simuleringer av samme størrelse, viser vi i denne artikkelen (publisert i Nature Communications) at grafen viser en sterk indikasjon på en eksotisk og svært uvanlig p-bølge superledning. Dette kan potensielt åpne muligheten for å observere flere typer kvantemekaniske fenomener som er avhengige av en effektiv p-bølge superledning, slik som Majorana-eksitasjoner.

Et av de viktigste resultatene som har blitt oppnådd i løpet av prosjektet er funnet om ukonvensjonell superledning i Dirac-materialet grafen (se sluttrapport for detaljert redegjørelse). Den tilhørende publiserte artikkelen har allerede blitt sitert flere ganger i litteraturen og vil sannsynligvis føre til videre teoretiske og eksperimentelle studier av dette fenomenet. Vårt arbeid som er publisert i løpet av dette prosjektet på spinntronikk-effekter i tynn-film strukturer med spinnbanekobling har fått oppmerksomhet innen forskningsfeltet og har fått mange siteringer i løpet av de siste par årene. Spesielt vårt arbeid på spinnstrømmer med null tap av energi i slike strukturer har tiltrukket seg interesse blant eksperimentalister i feltet. I forhold til kompetanseutvikling har prosjektet ført til at to dyktige studenter kommer til å oppnå en doktorgrad i fysikk (en i mars 2019 og en i september 2019).

The intersection between spin/valleytronics and Dirac materials represents an unusually fertile research area. On the one hand, it hosts very rich novel fundamental quantum physics due to emergent excitations with interesting properties in such systems. On the other hand, it also holds a real potential for creating nanoscale devices with improved functionality compared to using e.g. conventional transition metal ferromagnets. We believe that it is both timely and of high importance to expand the knowledge on how spin- and valleytronics can be optimized, finding new ways to create, sustain, and observe transport of these degrees of freedom in such systems that go beyond the present state-of-the-art. In this project, we will achieve precisely this aim. We will determine the extent to which it is possible to optimize spin- and valley-polarized transport in Dirac materials by controllably tuning the band gaps in such systems. This will be accomplished by using proximity interactions to ferromagnets and superconductors, electric fields, and photoirradiation. This project is specifically designed to expand existing knowledge in this field by identifying novel ways to generate efficient spin- and valley-polarized transport.