NSF/DMR-BSF: Quantum Transport in a Helical One-Dimensional System

NSF/DMR-BSF:螺旋一维系统中的量子传输

基本信息

  • 批准号:
    1904986
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 45.63万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-07-01 至 2023-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Non-technical abstract: The invention of the silicon transistor and decades of research development by academia and industry led to the current era of rapid information processing and propagation characterized by computers and the internet. The silicon transistor is rapidly approaching its limit of performance. To go beyond the conventional silicon technology requires drastically different paradigms that are fundamentally quantum in nature and operate on new materials and device concepts that are yet to be discovered. Quantum wires that can carry current without dissipating energy and transport information-carrying quantum states without losing coherence are an important building block of the next-generation quantum computers and quantum networks. In prior research, the PI's lab discovered a new type of quantum wire that has the above potential. The objectives of this project are to further understand the fundamental properties of the wires and develop its technological potential by constructing nanoscale devices and performing measurements in such systems. Knowledge gained in this research is expected to have significant impact on the development of quantum electronics. The research activities aim to educate the next-generation workforce of quantum technologies. Technical abstract: The PI's lab recently pioneered a new one-dimensional helical system in bilayer graphene known as the kink states, where the valley degrees of freedom of an electron is locked to its direction of propagation. Electrons moving in opposite directions carry opposite valley indices. The valley-momentum locked quantum wires display excellent ballistic transport properties and support the operations of a topological valley valve, a waveguide and a tunable electron beam splitter, which the PI's lab demonstrated. This project seeks to further develop capabilities to manipulate and probe interactions of the kink states beyond conductance measurements. The research activities aim to construct a quantum point contact and utilize the versatile tunability of the platform to systematically examine the controlled coupling of the kink states at the quantum point contact, in particular signatures of interacting one-dimensional systems. The construction of a Mach-Zehnder interferometer enables the studies of phase coherence transport of the kink states. Research efforts also include coupling the kink states to a high upper-critical-field superconductor through superconductor-kink-superconductor junctions and understanding the supercurrent distribution carried by the kink states. These experiments lay the foundation of pursuing emergent phenomena in superconductor-kink hybrid structures. Experiments are aided by theoretical efforts in the interpretation and prediction of measurements. Experimental and theoretical knowledge obtained in this project fundamentally enrich the understandings of topology, superconductivity and one-dimensional physics. The research activities equip students of all levels with necessary skills to pursue careers in STEM fields and summer camp activities promote science leadership among high school students.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
非技术摘要:硅晶体管的发明以及学术界和工业界数十年的研究发展导致了以计算机和互联网为特征的快速信息处理和传播时代。硅晶体管正迅速接近其性能极限。要超越传统的硅技术,需要完全不同的范式,这些范式本质上是量子的,并在尚未发现的新材料和器件概念上运行。量子线可以在不耗散能量的情况下传输电流,并在不失去相干性的情况下传输携带信息的量子态,是下一代量子计算机和量子网络的重要组成部分。在之前的研究中,PI的实验室发现了一种具有上述潜力的新型量子线。该项目的目标是通过构建纳米级器件并在此类系统中进行测量,进一步了解导线的基本特性并开发其技术潜力。在这项研究中获得的知识预计将对量子电子学的发展产生重大影响。研究活动旨在教育下一代量子技术的劳动力。 技术摘要:PI的实验室最近在双层石墨烯中开创了一种新的一维螺旋系统,称为扭结态,其中电子的谷自由度被锁定在其传播方向上。相反方向运动的电子具有相反的谷指数。谷动量锁定量子线显示出优异的弹道传输特性,并支持PI实验室演示的拓扑谷阀,波导和可调电子分束器的操作。该项目旨在进一步开发操纵和探测电导测量之外的扭结态相互作用的能力。研究活动旨在构建量子点接触,并利用平台的多功能可调性,系统地研究量子点接触处扭结态的受控耦合,特别是相互作用的一维系统的特征。马赫-曾德尔干涉仪的构建使得研究扭结态的相位相干输运成为可能。研究工作还包括通过超导体-扭结-超导体结将扭结态耦合到高上临界场超导体,并了解扭结态所携带的超导电流分布。这些实验为研究超导体-扭结混合结构中的涌现现象奠定了基础。在解释和预测测量结果方面,实验得到了理论工作的帮助。在这个项目中获得的实验和理论知识从根本上丰富了对拓扑学,超导性和一维物理学的理解。该研究活动为各级学生提供了在STEM领域追求职业生涯所需的必要技能,夏令营活动促进了高中生的科学领导力。该奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Valley Isospin Controlled Fractional Quantum Hall States in Bilayer Graphene
  • DOI:
    10.1103/physrevx.12.031019
  • 发表时间:
    2021-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    12.5
  • 作者:
    Ke Huang;Hailong Fu;D. R. Hickey;N. Alem;Xi Lin;Kenji Watanabe;T. Taniguchi;Jun Zhu
  • 通讯作者:
    Ke Huang;Hailong Fu;D. R. Hickey;N. Alem;Xi Lin;Kenji Watanabe;T. Taniguchi;Jun Zhu
Charge Oscillations in Bilayer Graphene Quantum Confinement Devices
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    10.8
  • 作者:
    Fu, Hailong;Huang, Ke;Watanabe, Kenji;Taniguchi, Takashi;Zhu, Jun
  • 通讯作者:
    Zhu, Jun
Gapless Spin Wave Transport through a Quantum Canted Antiferromagnet
  • DOI:
    10.1103/physrevx.11.021012
  • 发表时间:
    2021-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    12.5
  • 作者:
    Hailong Fu;Ke Huang;Kenji Watanabe;T. Taniguchi;Jun Zhu
  • 通讯作者:
    Hailong Fu;Ke Huang;Kenji Watanabe;T. Taniguchi;Jun Zhu
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