Nicht-reziproke Supraleitung: Materialien und Anwendungen

• Antragsteller: Dr. Max Geier
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 526129603

Die Reaktion nicht-reziproker Objekte hängt von der Richtung der Probe ab. Ein bekanntes Beispiel ist die Halbleiterdiode, welche nur in eine Richtung gut leitend ist. Nicht-reziproke Supraleitern zeichnen sich durch eine richtungsabhängige Asymmetrie der kritischen Ströme aus, sowie durch einen drei-Wellen-Mischungsprozess, wobei zwei einlaufende Photonen in ein einziges auslaufendes Photon kombiniert werden. Der erstere Effekt wurde als supraleitender Dioden-Effekt bezeichnet, analog zur Halbleiterdiode. Durch diese Analogie werden transformative Anwendungen für supraleitende Schaltkreise erwartet. Derzeitige Anwendung sind parametrische Verstärkung und die Stabilisierung von kohärenten Zuständen für „Schrödingers-Katze“ Qubits, in welchen Quanteninformation in Superpositionen von kohärenten Zuständen gespeichert wird. Diese Anwendungen basieren auf drei-Wellen-Mischung. Der supraleitendene Diodeneffekt wurde für Signalgleichrichtung angewendet. Dieser Antrag hat zwei Ziele: Neue Anwendungen von nicht-reziproker Supraleitung zu identifizieren, und mikroskopische Beschreibungen für nicht-reziproke Supraleitung in neuen Materialien zu entwickeln. Dafür werde ich mich auf zwei-dimensionale van der Waals Materialien spezialisieren. Zwei-dimensionale van der Waals Materialien bestehen aus einer oder mehreren Schichten zwei-dimensionaler Materialien wie Graphen oder Übergangsmetalldichalcogeniden welche durch van der Waals Wechselwirkung gebunden sind. Diese Materialien sind sowohl für Grundlagenforschung als auch für Anwendung besonders interessant, da sie sich viele Materialparameter elektrostatisch kontrollieren lassen, inklusive dem elektrochemischen Potential, die Hybridisierung der Schichten, sowie der Potentialdifferenz zwischen den Schichten. Diese aussergewöhnliche Kontrolle dieser Materialklasse erlaubt es verschiedene Phasen in einem einzigen Material zu realisien, inklusive unkonventioneller Supraleitung, Magnetismus, und Chern Isolatoren. Dies ist vielversprechend für Anwendungen, die auf Heterostrukturen verschiedener Phasen basieren, da Komplikationen durch chemische Verbindung verschiedener Materialien vermieden werden. Die konkreten Projekte dieses Antrags sind in zwei Ziele aufgeteilt. Das erste Ziel ist die Anwendung nicht-reziproker Supraleitung unabhängig von der Realisierung für Frequenzsenkungsumwandlung und der Stabilisierung von kohärenten Zuständen für „Schrödingers-Katze“-Qubits zu beschreiben. Weitere Anwendungen werden in Zusammenarbeit mit lokalen experimentellen Gruppen untersucht. Das zweite Ziel ist eine Beschreibung nicht-reziproker Supraleitung in van der Waals Heterostrukturen. Ich werde elektrostatisch definierte Josephson Kontake in verdrehten Graphene Doppelschichten beschreiben, sowie Andreev Reflektionen in einem Chern Isolator in Übergangsmetalldichalcogeniden in Kontakt zu einem konventionellen Supraleiter.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Liang Fu