Fundamentals of low-dissipation topological matter

Strømforbruk og strømtap er ikke bare en stor bekymring for en bærekraftig fremtid, de er også den største utfordringen for den fortsatte nedskalering av elektronikk. Tradisjonell elektronikk og magnetisk lagring er i hovedsak tapsfri på grunn av elektrisk motstand og magnetisk hysterese. På den annen side har solid state fysikk nylig sett flere betydelige gjennombrudd på et grunnleggende nivå: oppdagelsen av topologiske isolatorer og ukonvensjonelle superledere. Disse nye tilstandstilstandene baner vei for den tapsløse manipulasjonen av ladning, spinn og andre kvanteenheter som kan overføre informasjon. Dette prosjektet har fokusert på kvantemekaniske effekter relatert til elektronisk struktur og transport av ladning og spinn av elektroner, som er kilden for de fleste former for elektrisitet og magnetisme. Studien av ladning og spinntransport i systemer der flere symmetrier brytes, har også gitt en fruktbar arena når det gjelder å utforske ny grunnleggende fysikk som kan føre til ultralavenergi (superledende) elektronikk. I dette prosjektet har vi beregnet og målt grunnleggende egenskaper til nye materialer der magnetisme, spinnkobling og / eller superledningsevne samhandler, og har vist mulige ruter for å kontrollere ladning og spinnstrømmer ved hjelp av eksterne kontrollparametere. Allerede i de første del av prosjektet ble det oppnådd flere viktige gjennombrudd for fremvoksende kvantebeskyttelsesenheter. Prosjektgruppen og samarbeidspartnere har videreutviklet forståelsen av kvanteinneslutning i silisium og har vist at det er mulig å kvantifisere både lednings- og valensbånd samtidig, samt å undersøke opprinnelsen til superledningsevne i lignende kvantebegrensede dopantlag i diamant. Prosjektgruppen har også utviklet en forbedret forståelse av mange-kropps (elektron-fonon) fysikk i 2D-materialer, som eksempler på grafen. Prosjektgruppen har deltatt i mange internasjonale møter og samarbeid, i tillegg til å gjøre dette arbeidet til fokus for flere M.Sc. avhandling. I siste halvdel av prosjektet har vi fokusert på forståelse og manipulering av superledningsevne i 2D-materialer (spesielt grafen og dets halvledende analoge hBN). Forskningsarbeidet vårt har vært veldig vellykket: et stort antall publikasjoner (27) i internasjonale tidsskrifter på høyeste nivå har dukket opp (inkludert Nature Materials, NPJ Quantum Materials og Physical Review Letters). Disse publikasjonene dekker et bredt spekter av relevante emner, fra metodeutvikling, til kvanteenhetsfysikk til grunnleggende fysikk i nye spinntroniske og superledende materialer. På samme måte har arbeidet vårt blitt presentert på en rekke internasjonale konferanser, spesialiserte internasjonale møter, nasjonale og lokale arrangementer. Fire masteroppgaver har også dukket opp basert på aktiviteter basert på aspekter av dette prosjektet, og en doktorgradsavhandling er levert til disputas i februar 2021.

The primary objective of this project has been to increase an understanding of the underlying physics relevant for ultra-low-power device applications. The primary impact for the research field is that the results generated here will facilitate `the next step' towards realising working devices - specifically, seeding new application-oriented projects to construct and demonstrate novel devices with superior performance than is currently available.

Applications related to the synthesis of electricity and magnetism are currently being actively pursued at the nanometer scale. The topics included in this research proposal mainly revolve around quantum mechanical effects related to electronic structure and transport of charge and spin of electrons, which is the source for most forms of electricity and magnetism. The study of charge- and spin-transport in systems where multiple symmetries are broken also offers an important arena for research in terms of fundamental physics. We shall calculate and measure fundamental properties of low-dissipation hybrid structures comprised of materials where magnetism, spin-orbit coupling, and/or superconductivity are present in topologically non-trivial matter, with the objective to reveal possible ways of controlling charge- and spin-currents in a well-defined manner by external control parameters. This will be done in the context of topological insulators, topological superconductors, and ferromagnetic or antiferromagnetic insulators. The overarching theme in the project proposal is to illuminate the subtle interplay between different types of emergent or broken symmetries when they appear simultaneously in condensed matter systems with the long-term potential for applications in low-power consumption devices.