Page name: ARRSProjekti / 2021 / Coulombska stanja v energijski reži superprevodnih kvantnih naprav

Coulombska stanja v energijski reži superprevodnih kvantnih naprav

Nazaj na seznam za leto 2021


Oznaka in naziv projekta

J1-3008 Coulombska stanja v energijski reži superprevodnih kvantnih naprav
J1-3008 Coulombic subgap states in superconducting quantum devices

Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev

© Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije

Projektna skupina

Vodja projekta: Rok Žitko

Sodelujoče raziskovalne organizacije: Institut Jožef Stefan

Sestava projektne skupine: Szczepan Glodzik, Denis Golež, Zala Lenarčič, Lev Vidmar, Jernej Mravlje

Vsebinski opis projekta

Podrobno bomo proučili lastnosti nedavno odkritih Coulombskih stanj v reži (CSS) in raziskali njihovo uporabno vrednost. Ta dolgoživa stanja z nenavadnimi lastnostmi nastanejo v superprevodniški energijski reži v kvantnih napravah, katerih sestavni del je ultramajhen superprevodni otok z veliko energijo nabijanja. CSS obstajajo tako za sodo kot za liho število elektronov v superprevodniku. Njihova odlikovana lastnost je, da nimajo "simetrije" delec-vrzel, ki je sicer značilnost vseh drugih stanj v superprevodniški energijski reži (Yu-Shiba-Rusinov, vezana stanja Andreeva, Majoranovi ničelni načini). Zaradi te edinstvene lastnosti imajo CSS potencial za nove aplikacije v superprevodniški elektroniki in pri obdelavi kvantne informacije. Proučili bomo naprave, sestavljene iz enega ali več ultramajhnih superprevodnih otočkov (SI) v stiku z eno ali več interagirajočimi kvantnimi pikami (QD). Takšne naprave se lahko zgradi iz polprevodniških nanožičk (npr. InAs) z epitaksialno plastjo superprevodnega materiala (npr. Al), ki omogočajo izdelavo toploških superprevodnikov z netrivialnimi stanji na svojih robovih. Izpopolnili bomo numerične metode za proučevanje te družine Hamiltonianov z enim ali več nivoji z interakcijo, ki so hibridizirani z množico nivojev s parsko in Coulombsko interakcijo. Takšne Hamiltoniane z interakcijo dolgega dosega se lahko izrazi v obliki zmnožka matričnih operatorjev (MPO) in reši z metodo renormalizacijske grupe gostotne matrike (DMRG), kar smo pred kratkim pokazali v seriji prebojnih izračunov. To je vodilo k napovedi stanj CSS, katerih obstoj je bil nato dokazan v nanožičkah iz InAs-Al. Navkljub na splošno presenetljivo dobremu ujemanju med simulacijami in meritvami za nekatere eksperimentalne ugotovitve še nimamo prave razlage. Ker se pričakuje, da bodo stanja CSS zelo pogosto prisotna v prihodnjih generacijah naprav, je pomembno njihovo popolno kvantitativno razumevanje v vseh režimih napetosti na vratih in zunanjega magnetnega polja. Prav tako moramo razširiti metode na primere z večjim številom superprevodnih otočkov in večjim številom kvantnih pik, saj se takšne naprave že eksperimentalno raziskuje in obstaja potreba po teoretičnih orodjih za interpretacijo meritev ter za vodeno načrtovanje novih naprav. Velika potreba obstaja tudi po tehnikah za meritev in manipulacijo teh stanj s končnim ciljem koherentne kontrole kubitov, ki bi jih definirali kot linearne superpozicije Coulombskih stanj v reži. V okviru projekta bomo razvili popolno teorijo osnovne naprave QD-SI. V ta namen bomo izboljšali obstoječi reševalnik in raziskali tudi druge metode. Cilj je pridobiti čim bolj popolno informacijo o lastnostih sistema, ki jih bomo nato sistematično raziskali. Posebno pozornost bomo posvetili resonančnim vrhovom v kontinuumskem delu spektra in njihovo povezavo z diskretnimi stanji v reži. Razvili bomo metodologijo za povsem realistično modeliranje superprevodnih otočkov, vključno z netrivalno nivojsko strukturo, giromagnetnimi faktorji, sklopitvijo spin-tir, orbitalnimi premiki in interakcijskimi členi onkraj t.i. reducirane oblike, ki vključuje le Kramersove pare. Tehniko bomo razširili na primer kompleksnih naprav ter proučili učinke hibridizacije in izmenjalne sklopitve med CSS, ter intrigantne večkanalne učinke v napravah z večjim številom superprevodnih otočkov, ki nastanejo zaradi prisotnosti fiksnih točk, ki v odsotnosti superprevodnosti niso Fermijeve tekočine. Razvili bomo tudi kvantitativno teorijo za tunelsko spektroskopijo ter raziskali druge možne načne za opravljanje meritev na teh sistemih, denimo z mikrovalovno spektroskopijo ali z uporabo magnetometrije z barvnimi centri (NV) v diamantu. Za pristop z NV centri bomo opravili študijo izvedljivosti za izdelavo takšnih kompozitnih naprav. Identificirali bomo tudi najbolj zanimive prehode za zaznavanje in koherentno manipulacijo.

Faze projekta in opis njihove realizacije

1. Dokončna teorija preproste naprave QD-SI

2. Realistični modeli za superprevodne otoke

3. Na poti h kompleksnim napravam

4. Zaznavanje in koherentna manipulacija s stanji v reži

Bibliografske reference


Nazaj na seznam za leto 2021