Transport on van der Wals Superconductor Heretostructures

范德瓦尔斯超导异质结构上的输运

基本信息

  • 批准号:
    2105048
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 76万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-04-15 至 2026-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Nontechnical Description: Superconductivity is a robust macroscopic quantum state that can be utilized for various modern technological applications based on low energy dissipation and quantum coherence. This project will enable the investigation of emergent quantum phenomena associated with extremely thin crystals of high-temperature superconductors. We will build stacked atomic layers of thin superconductors combined with other atomically thin crystalline materials to form more complex quantum systems for this study. The electronic controllability demonstrated in our low-dimensional device structure allows us to investigate the intriguing interaction between electrons and magnetic field vortices near the transition, leading to quantum device applications based on our discoveries. We will develop a novel experimental method to manipulate our superconductors for stacked device forms to achieve this goal. The diverse functionality achieved by complex device structures enables experimental investigation of electronic, magnetic, and thermal properties of resulting structures. We will also develop a theoretical framework to deepen our understanding of high-temperature superconductivity. The proposed study of atomically thin stacked superconductors will promote our understanding of emergent physical phenomena in quantum materials and offer a platform for building quantum technology. New physical properties discovered in this quantum material system can enable novel device applications, such as electronics and magnetoelectronic superconducting devices. A tight combination of research and educational/outreach activities will raise the next generation of science and engineering leaders. Technical Description:The research focus of this project is investigating emergent physical phenomena near the superconductor-insulator transition in van der Waals (vdW) heterostructures formed by atomically thin high-temperature superconductors (HTSs). Based on our current understanding of fluctuation effects and non-equilibrium states in 2-dimensional (2D) superconductors, we will demonstrate the fabrication of 2D vdW superconductors for hybrid heterostructures to achieve complex and diverse functionalities. We study local electronic compressibility in those systems by employing charge-sensitive graphene nanoribbons on top of atomically thin HTS. We also investigate magneto thermoelectric effects and vortex viscosity in a 2D vortex system near the vicinity of the superconductor insulator transition (SIT) regime. Furthermore, we plan to build double-layer devices for vortex and charge drag experiments for detecting magnetic monopoles and their dynamics to understand the vortex-Cooper pair duality. Finally, we will develop a reliable theoretical framework to understand topological obstruction for splitting Cooper pairs into single electrons in the presence of magnetic monopoles near the SIT. The engineering capability of 2D vdW heterostructures comprised of HTS and a deep understanding of the vortex-Cooper pair duality will result in novel functionalities, leading to research breakthroughs in quantum materials with emergent phenomena. We also integrate a tight combination of research and educational/outreach activities for nurturing the next generation of science and engineering leaders.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.
非技术描述:超导是一种基于低能量耗散和量子相干性的鲁棒宏观量子态,可用于各种现代技术应用。该项目将使与高温超导体极薄晶体相关的新兴量子现象的研究成为可能。在本研究中,我们将建立薄超导体的堆叠原子层与其他原子薄晶体材料相结合,形成更复杂的量子系统。在我们的低维器件结构中展示的电子可控性使我们能够研究电子和磁场涡流之间有趣的相互作用,从而基于我们的发现开发量子器件应用。我们将开发一种新的实验方法来操纵我们的超导体堆叠器件形式,以实现这一目标。通过复杂的器件结构实现的多种功能使得对所得到的结构的电子、磁性和热性能进行实验研究成为可能。我们也将发展一个理论框架来加深我们对高温超导性的理解。原子薄堆叠超导体的研究将促进我们对量子材料中出现的物理现象的理解,并为构建量子技术提供一个平台。在这种量子材料系统中发现的新物理特性可以实现新的器件应用,例如电子学和磁电子超导器件。研究和教育/推广活动的紧密结合将培养下一代科学和工程领袖。技术描述:本项目的研究重点是研究原子薄高温超导体(HTSs)形成的范德华(vdW)异质结构中超导体-绝缘体跃迁附近的紧急物理现象。基于我们目前对二维(2D)超导体中涨落效应和非平衡态的理解,我们将展示用于混合异质结构的二维vdW超导体的制造,以实现复杂和多样化的功能。我们通过在原子级薄的高温超导上使用电荷敏感的石墨烯纳米带来研究这些系统中的局部电子可压缩性。我们还研究了在超导体绝缘体跃迁(SIT)区附近的二维涡旋系统中的磁热电效应和涡旋粘度。此外,我们计划建立用于涡旋和电荷阻力实验的双层装置,用于检测磁单极子及其动力学,以了解涡旋-库珀对对偶性。最后,我们将开发一个可靠的理论框架来理解在SIT附近磁单极子存在的情况下将库珀对分裂成单个电子的拓扑障碍。由HTS组成的二维vdW异质结构的工程能力和对涡旋-库珀对二象性的深入理解将产生新的功能,从而导致具有涌现现象的量子材料的研究突破。我们还将研究和教育/推广活动紧密结合起来,培养下一代科学和工程领袖。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(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Andreev reflection between aluminum and graphene across van der Waals barriers
安德烈耶夫跨越范德瓦尔斯势垒的铝和石墨烯之间的反射
  • DOI:
    10.1063/10.0019423
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0.8
  • 作者:
    Huang, Ko-Fan;Gül, Önder;Taniguchi, Takashi;Watanabe, Kenji;Kim, Philip
  • 通讯作者:
    Kim, Philip
Hall effect in the MnBi2Te4 crystal using silicon nitride nanomembrane via contacts
  • DOI:
    10.1063/5.0170335
  • 发表时间:
    2023-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Mickey Martini;T. Confalone;Yejin Lee;Bastian Rubrecht;G. Serpico;Sanaz Shokri;C. N. Saggau;D. Montemurro;Valerii M. Vinokur;A. Isaeva;K. Nielsch;Nicola Poccia
  • 通讯作者:
    Mickey Martini;T. Confalone;Yejin Lee;Bastian Rubrecht;G. Serpico;Sanaz Shokri;C. N. Saggau;D. Montemurro;Valerii M. Vinokur;A. Isaeva;K. Nielsch;Nicola Poccia
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Philip Kim其他文献

A two-site Kitaev chain in a two-dimensional electron gas.
二维电子气中的二位基塔耶夫链。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2023
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  • 影响因子:
    64.8
  • 作者:
    S. L. ten Haaf;Qingzhen Wang;A. M. Bozkurt;Chun;I. Kulesh;Philip Kim;Di Xiao;C. Thomas;M. Manfra;T. Dvir;Michael Wimmer;S. Goswami
  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
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    0
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  • 通讯作者:
    Robert M. Levy
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石墨烯磁热传输中电子粘性耗散的观测
  • DOI:
  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Artem V. Talanov;J. Waissman;Aaron Hui;Brian Skinner;Kenji Watanabe;T. Taniguchi;Philip Kim
  • 通讯作者:
    Philip Kim
An electronic microemulsion phase emerging from a quantum crystal-to-liquid transition
从量子晶体到液体转变中出现的电子微乳液相
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2025-01-20
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    Jiho Sung;Jue Wang;Ilya Esterlis;Pavel A. Volkov;Giovanni Scuri;You Zhou;Elise Brutschea;Takashi Taniguchi;Kenji Watanabe;Yubo Yang;Miguel A. Morales;Shiwei Zhang;Andrew J. Millis;Mikhail D. Lukin;Philip Kim;Eugene Demler;Hongkun Park
  • 通讯作者:
    Hongkun Park
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静电超晶格势的等离激元偏振传感
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    2024
  • 期刊:
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  • 作者:
    Shuai Zhang;Jordan Fonseca;Daniel Bennett;Zhiyuan Sun;Junhe Zhang;R. Jing;Suheng Xu;Leo He;S. Moore;S. E. Rossi;Dmitry Ovchinnikov;D. Cobden;Pablo. Jarillo;M. Fogler;Philip Kim;E. Kaxiras;Xiaodong Xu;D. N. Basov
  • 通讯作者:
    D. N. Basov

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  • 资助金额:
    $ 76万
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