Electronic spin and valley degrees of freedom - based novel quantum devices

基于电子自旋和谷自由度的新型量子器件

基本信息

  • 批准号:
    1906253
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 40.5万
  • 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:
    2019-09-01 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Electrons, besides being charged particles, have an extra, quantum degree of freedom, namely their spin. In certain materials, electrons also have a valley degree of freedom, which is related to their momentum. Spintronics and, more recently, valleytronics, are emerging areas in solid-state science and engineering. Their broad goal is to utilize carriers' spin/valley degrees of freedom to realize novel electronic devices that rely on the creation, manipulation, and detection of spin/valley currents. If successful, such manipulation could also impact the even more exotic field of quantum computing, as spin/valley are candidates for registering the quantum bit of information in quantum computers. The focus of the projects proposed here is to study ballistic transport in clean carrier systems in layered semiconductor structures. The goal is to demonstrate and characterize a number of novel, prototype, electronic devices whose operation relies on the manipulation of spin and/or valley degrees of freedom. The projects also incorporates comprehensive educational component, including training of graduate and undergraduate students in fabrication, characterization, and physics of thin-film semiconductor structures. Outreach activities involve K-12 demonstrations and teacher training programs in electricity and magnetism.The projects proposed here are aimed at studies of ballistic transport in clean, two-dimensional carrier systems in modulation-doped semiconductors. The goal is to demonstrate and characterize a number of devices whose operation relies on the manipulation of spin and/or valley degrees of freedom. These include a spin-interference device, a spin-filter, and a valley-filter. The devices will be based mainly on two different carrier systems: (1) two-dimensional hole system in GaAs quantum wells which possesses a strong and tunable spin-orbit interaction, and (2) two-dimensional electron system in AlAs quantum wells where the electrons occupy conduction band valleys with gate- and/or strain-tunable densities, and also have a large Lande effective g-factor so that they can be easily spin-polarized. All the projects described in this proposal will involve fabrication of various devices using modern crystal growth and lithography techniques, and transport measurements. The projects will contribute to the fundamental understanding of the ballistic transport in semiconductor structures. While the proposed structures would operate mainly at relatively low temperatures, they will serve as prototypes to demonstrate proof-of-principle concepts that are essential for advances in the emerging fields of spintronics/valleytronics and quantum computing. The projects can also lead to the development of unforeseen device concepts.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.
电子除了是带电粒子外,还有一个额外的量子自由度,即它们的自旋。在某些材料中,电子也有谷自由度,这与它们的动量有关。自旋电子学和最近的谷电子学是固态科学和工程的新兴领域。他们的广泛目标是利用载流子的自旋/谷自由度来实现依赖于自旋/谷电流的创建、操纵和检测的新型电子设备。如果成功,这种操作也可能影响量子计算的更奇特的领域,因为自旋/谷是在量子计算机中记录量子信息的候选者。本文提出的项目重点是研究层状半导体结构中清洁载流子系统的弹道输运。目标是演示和描述一些新颖的原型电子设备,其操作依赖于自旋和/或谷自由度的操纵。这些项目还包含了全面的教育成分,包括对研究生和本科生在薄膜半导体结构的制造、表征和物理方面的培训。拓展活动包括K-12的示范和电磁学教师培训项目。本文提出的项目旨在研究调制掺杂半导体中清洁二维载流子系统的弹道输运。目标是演示和表征一些设备,其操作依赖于自旋和/或谷自由度的操纵。这些包括自旋干涉装置、自旋滤波器和谷滤波器。该器件将主要基于两种不同的载流子系统:(1)GaAs量子阱中的二维空穴系统,具有强且可调谐的自旋轨道相互作用;(2)AlAs量子阱中的二维电子系统,其中电子占据具有门和/或应变可调谐密度的导带谷,并且具有较大的朗德有效g因子,因此它们易于自旋极化。本提案中描述的所有项目将涉及使用现代晶体生长和光刻技术制造各种器件,以及传输测量。这些项目将有助于从根本上理解半导体结构中的弹道输运。虽然所提出的结构将主要在相对较低的温度下运行,但它们将作为原型来演示对自旋电子学/谷电子学和量子计算等新兴领域的进步至关重要的原理验证概念。这些项目也可能导致不可预见的设备概念的发展。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识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(24)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Observation of spontaneous ferromagnetism in a two-dimensional electron system
Spin Reversal of a Quantum Hall Ferromagnet at a Landau Level Crossing
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.125.067404
  • 发表时间:
    2020-08-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Lupatini, M.;Knuppel, P.;Wegscheider, W.
  • 通讯作者:
    Wegscheider, W.
Robust Quantum Hall Ferromagnetism near a Gate-Tuned ν=1 Landau Level Crossing
门调谐 ν=1 Landau 平交道口附近的鲁棒量子霍尔铁磁性
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.129.196801
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Ma, Meng K.;Wang, Chengyu;Chung, Y. J.;Pfeiffer, L. N.;West, K. W.;Baldwin, K. W.;Winkler, R.;Shayegan, M.
  • 通讯作者:
    Shayegan, M.
Thermal and Quantum Melting Phase Diagrams for a Magnetic-Field-Induced Wigner Solid
磁场诱导维格纳固体的热熔化和量子熔化相图
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.125.036601
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Ma, Meng K.;Villegas Rosales, K. A.;Deng, H.;Chung, Y. J.;Pfeiffer, L. N.;West, K. W.;Baldwin, K. W.;Winkler, R.;Shayegan, M.
  • 通讯作者:
    Shayegan, M.
Competition between fractional quantum Hall liquid and Wigner solid at small fillings: Role of layer thickness and Landau level mixing
  • DOI:
    10.1103/physrevresearch.3.013181
  • 发表时间:
    2020-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    K. V. Rosales;S. Singh;M. Ma;M. S. Hossain;Y. J. Chung;L. Pfeiffer;K. West;K. Baldwin;M. Shayegan
  • 通讯作者:
    K. V. Rosales;S. Singh;M. Ma;M. S. Hossain;Y. J. Chung;L. Pfeiffer;K. West;K. Baldwin;M. Shayegan
{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Mansour Shayegan其他文献

MBE成長MgZnO/ZnO界面における2DEGの電子有効質量と有効g因子の積(g^* m^*)の見積もり
估计 MBE 生长的 MgZnO/ZnO 界面处 2DEG 的电子有效质量和有效 g 因子 (g^* m^*) 的乘积
  • DOI:
  • 发表时间:
    2008
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    塚崎敦;大友明;赤坂俊輔;湯地洋行;田村謙太郎.中原健;田辺哲弘;神澤公;Shavani Javad;Gokmen Tayfun;Mansour Shayegan;川崎雅司
  • 通讯作者:
    川崎雅司

Mansour Shayegan的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Mansour Shayegan', 18)}}的其他基金

Probing Exotic Phases of Ultra High Mobility Two-Dimensional Electrons
探测超高迁移率二维电子的奇异相
  • 批准号:
    2104771
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Probing Exotic Phases of Two-dimensional Electrons in Unconventional Systems
探测非常规系统中二维电子的奇异相
  • 批准号:
    1709076
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Toward Spin- and Valleytronic Devices
迈向自旋和谷电子器件
  • 批准号:
    1508925
  • 财政年份:
    2015
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Interacting Two-dimensional Electrons in Unconventional Systems
非常规系统中二维电子的相互作用
  • 批准号:
    1305691
  • 财政年份:
    2013
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
MRI: Acquisition of a Cryogen-free dilution refrigerator with a 12 T magnet
MRI:购买带有 12 T 磁铁的无冷冻剂稀释冰箱
  • 批准号:
    1126061
  • 财政年份:
    2011
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Ballistic Transport in 2D Carrier Systems: Role of Spin and Valley Degrees of Freedom
二维载体系统中的弹道输运:自旋和谷自由度的作用
  • 批准号:
    1001719
  • 财政年份:
    2010
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Two-Dimensional Electron Systems in AlAs Quantum Wells: Fabrication and Physics
AlAs 量子阱中的二维电子系统:制造和物理
  • 批准号:
    0904117
  • 财政年份:
    2009
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Spin Dependent Ballistic and Phase Coherent Transport in 2D Carrier Systems
二维载体系统中的自旋相关弹道和相位相干传输
  • 批准号:
    0701550
  • 财政年份:
    2007
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Fabrication and Physics of Electron Systems in AlAs Quantum Wells
AlAs 量子井中电子系统的制造和物理
  • 批准号:
    0502477
  • 财政年份:
    2005
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Ballistic Spin Transport in 2D Carrier Systems
二维载体系统中的弹道自旋输运
  • 批准号:
    0400661
  • 财政年份:
    2004
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant

相似国自然基金

SPIN90在幽门螺杆菌空泡毒素VacA致病中的作用及机制研究
  • 批准号:
    82372269
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    49 万元
  • 项目类别:
    面上项目
解毒方抑制HIF-1α-Exosomal miR-130b-3p-SPIN90介导的巨噬细胞M2型极化改善肝癌免疫抑制微环境的作用机制
  • 批准号:
    82374540
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    48.00 万元
  • 项目类别:
    面上项目
SPIN1激活IL-10诱导M2巨噬细胞极化促进胃癌浸润转移的机制研究
  • 批准号:
    82103490
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    30 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
Spin-Peierls化合物的分子设计策略及电操控自旋态研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    64 万元
  • 项目类别:
    面上项目
自旋为1的Spin-Peierls模型的量子相变研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    18 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
SPIN1正反馈调控Hippo-YAP信号通路促胃癌侵袭转移的机制研究
  • 批准号:
    82060566
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    34 万元
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
ETS1-SPIN1-PI3K/Akt网络调控乳腺癌耐药的分子机制研究
  • 批准号:
    81902698
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    21.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
紧spin流形上Dirac方程及相关问题的研究
  • 批准号:
    11801499
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    23.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
血红素模型体系多自旋态可变电荷力场开发
  • 批准号:
    21873034
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    65.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
特殊和乐流形的霍奇理论与规范理论
  • 批准号:
    11801539
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似海外基金

Nanoscale detection of atomic layer spin-valley polarized excitons and revealing its local dynamics
原子层自旋谷极化激子的纳米级探测并揭示其局域动力学
  • 批准号:
    22K14597
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Demonstration of valley spin devices by coupling 2D semiconductors to chiral photonic crystal nanocavities
通过将二维半导体耦合到手性光子晶体纳米腔来演示谷自旋器件
  • 批准号:
    22K14623
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Topological quantum transport properties in spin-valley locked Dirac semimetals
自旋谷锁定狄拉克半金属的拓扑量子输运特性
  • 批准号:
    2211327
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Spin-valley conduction in atomic-layer materials controlled by orbital angular momentum of light
由光轨道角动量控制的原子层材料中的自旋谷传导
  • 批准号:
    22K04863
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Spin-valley information and energy transport via directed exciton currents in two-dimensional semiconductors
二维半导体中通过定向激子电流的自旋谷信息和能量传输
  • 批准号:
    462503440
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    WBP Fellowship
CDS&E: Ab Initio Ultrafast Dynamics of Spin, Valley and Charge in Quantum Materials
CDS
  • 批准号:
    1956015
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Standard Grant
Development of valley-spin quantum optics in atomically thin artificial hetero-structures
原子薄人造异质结构中谷自旋量子光学的发展
  • 批准号:
    20H05664
  • 财政年份:
    2020
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
Development of spin-valley quantum devices based on graphene heterostructures
基于石墨烯异质结构的自旋谷量子器件的研制
  • 批准号:
    19K15385
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Two Dimensional Magnetic Material: Spintronics & Valleytronics Applications
二维磁性材料:自旋电子学
  • 批准号:
    19K15381
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Control of valley-spin in atomically thin materials based on higher-order data science
基于高阶数据科学的原子薄材料谷自旋控制
  • 批准号:
    19K22142
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 40.5万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了