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:超导是一种强大的宏观量子态,可用于基于低能量耗散和量子相干性的各种现代技术应用。该项目将能够研究与高温超导体极薄晶体相关的涌现量子现象。我们将构建薄超导体的堆叠原子层与其他原子薄晶体材料相结合,以形成本研究中更复杂的量子系统。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过渡附近电子和磁场涡旋之间有趣的相互作用,从而导致基于我们的发现的量子器件应用。我们将开发一种新颖的实验方法来操纵堆叠器件形式的超导体以实现这一目标。复杂器件结构实现的多种功能使得能够对所得结构的电子、磁性和热性能进行实验研究。我们还将开发一个理论框架来加深我们对高温超导的理解。拟议的原子薄堆叠超导体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颖的设备应用,例如电子和磁电子超导设备。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导者。 技术描述:该项目的研究重点是研究由原子级薄的高温超导体(HTS)形成的范德华(vdW)异质结构中超导体-绝缘体转变附近的新兴物理现象。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,我们将演示混合异质结构的 2D vdW 超导体的制造,以实现复杂多样的功能。我们通过在原子级薄高温超导之上采用电荷敏感石墨烯纳米带来研究这些系统中的局部电子压缩性。我们还研究了超导绝缘体转变 (SIT) 区域附近的二维涡流系统中的磁热电效应和涡流粘度。此外,我们计划构建用于涡旋和电荷拖曳实验的双层装置,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 附近存在磁单极子的情况下将库珀对分裂成单个电子的拓扑障碍。由高温超导组成的二维 vdW 异质结构的工程能力以及对涡旋-库珀对二象性的深入理解将产生新的功能,从而在具有新兴现象的量子材料方面取得研究突破。我们还将研究和教育/外展活动紧密结合起来,以培养下一代科学和工程领导者。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(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)
Hall effect in the MnBi2Te4 crystal using silicon nitride nanomembrane via contacts
使用氮化硅纳米膜通过接触的 MnBi2Te4 晶体中的霍尔效应
  • DOI:
    10.1063/5.0170335
  • 发表时间:
    2023-11-15
  • 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:
    Nicola Poccia
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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:
    2023-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0.8
  • 作者:
    Huang, Ko;Gül, Önder;Taniguchi, Takashi;Watanabe, Kenji;Kim, Philip
  • 通讯作者:
    Kim, Philip
Two-dimensional heavy fermions in the van der Waals metal CeSiI
范德华金属 CeSiI 中的二维重费米子
  • DOI:
    10.1038/s41586-023-06868-x
  • 发表时间:
    2024-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    64.8
  • 作者:
    Posey, Victoria A.;Turkel, Simon;Rezaee, Mehdi;Devarakonda, Aravind;Kundu, Asish K.;Ong, Chin Shen;Thinel, Morgan;Chica, Daniel G.;Vitalone, Rocco A.;Jing, Ran;et al
  • 通讯作者:
    et al
2D High-Temperature Superconductor Integration in Contact Printed Circuit Boards
接触式印刷电路板中的二维高温超导集成
  • DOI:
    10.1021/acsami.3c10564
  • 发表时间:
    2023-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.5
  • 作者:
    Saggau, Christian N.;Shokri, Sanaz;Martini, Mickey;Confalone, Tommaso;Lee, Yejin;Wolf, Daniel;Gu, Genda;Brosco, Valentina;Montemurro, Domenico;Vinokur, Valerii M.;et al
  • 通讯作者:
    et al
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  • 通讯作者:
    H. Yoo
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  • 发表时间:
    2024-09-14
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  • 作者:
    S. Sarma;A. Geim;Philip Kim;A. Macdonald
  • 通讯作者:
    A. Macdonald
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MoS2 纳米结构中量子点形成的成像
  • DOI:
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    2017-01-26
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  • 作者:
    S. Bh;ari;ari;Ke Wang;Kenji Watanabe;T. Taniguchi;Philip Kim;R. Westervelt
  • 通讯作者:
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