Nichtgleichgewichtstransport und Dynamik in konventionellen und topologischen supraleitenden Kontakten

• Antragsteller: Dr. Gianluca Rastelli, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326061083

In diesem Projekt wollen wir den Quantentransport und Nichtgleichgewichtsdynamik in atomaren und kurzen supraleitenden Kontakten unter Berücksichtigung von Quasiteilchen-Effekten, der Kopplung mit der elektromagnetischen Umgebung und unter dem Einfluss von Mikrowellenstrahlung theoretisch untersuchen. Experimentelle Untersuchungen konzentrieren sich in den letzten Jahren auf supraleitende Nanokontakte verschiedenster Art (wie beispielsweise atomare Bruchkontakte oder topologische Materialien) mit dem Ziel, einzelne mikroskopische Quantenzustände in solchen Strukturen zu realisieren, die über die Physik der üblichen Josephson-Tunnelkontakte hinausgehen. Diese Systeme sind vielversprechende Kandidaten für die Realisierung einer neuen Art von Qubits, die auf einzelnen Andreev-Energieniveaus beruhen, welche eine einzigartige Robustheit gegenüber Dissipation und Dekohärenz aufweisen. Darüber hinaus wird von Kontakten aus topologischen Materialien erwartet, dass sie spezielle Andreev-Energieniveaus realisieren, die Majorana-Zuständen entsprechen, deren eindeutige Detektion das aktuelle Thema intensiver Untersuchungen ist. Ein wichtiges und häufig auftretendes Problem in mesoskopischen supraleitenden Kontakten ist die Anwesenheit langlebiger Quasiteilchen im Nichtgleichgewicht. Das Vorhandensein angeregter Quasiteilchen verschlechtert oder zerstört sogar die Möglichkeit der quantenkohärenten Manipulation dieser Systeme und repräsentiert damit eine intrinsische Quelle der Dissipation und Dekohärenz. Die Nichtgleichgewichtsdynamik von Quasiteilchen zu verstehen ist daher heute eine entscheidende Fragestellung. Die zentrale Fragestellung in unserem Projekt ist daher, diese Nichtgleichgewichtsdynamik von Quasiteilchen in diesen neuartigen supraleitenden Kontakten einschließlich atomarer Bruchkontakte, kurzer Nanodrähte und topologischer Kontakten zu verstehen. Motiviert durch die jüngsten experimentellen Errungenschaften in der Andreev-Spektroskopie werden wir die Eigenschaften der Kontakte unter dem Einfluss von Mikrowellen untersuchen, um die spektralen Eigenschaften der Andreev-Anregungen und deren Dynamik zu offenbaren. Für solche Systeme werden wir einen theoretischen Rahmen für die Nichtgleichgewichtsdynamik der Quasiteilchen entwickeln, der auf dem Zusammenspiel zwischen dem zeitabhängigen externen Feld und den Fluktuationen der elektromagnetischen Umgebung beruht. Laufende Experimente an atomaren Kontakten erfordern eine theoretische Analyse, die all diese Aspekte gleichzeitig umfasst. Diese theoretisch anspruchsvolle Aufgabe stellt eine anwendungsrelevante Weiterentwicklung für die Physik von Andreev-Zuständen dar. Eine zentrale Innovation liegt in der Ausdehnung der theoretischen Untersuchung auf topologische Kontakte. Im Vorgriff auf zukünftige Experimente zielen wir mit diesem Projekt auf fundamental neuen Methoden zum experimentellen Nachweis von Majorana-Zuständen mithilfe der Andreev-Spektroskopie in topologischen Kontakten ab.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Wolfgang Belzig
• Kooperationspartner: Dr. Gianluigi Catelani; Dr. Leonid Glazman