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Revealing 1D ballistic charge and spin currents in second order topological insulators

Projektbeschreibung

Neuartige leitende Eigenschaften von Wismut werden erforscht

Topologische Isolatoren sind eines der aufregendsten Gebiete der Festkörperphysik. Dieser Festkörper, eine neue Zustandsform der Quantenmaterie, verhält sich in seinem Inneren wie ein elektrischer Isolator. Strom fließt nur auf seiner Oberfläche – und das nahezu widerstandslos, d. h. „dissipationsfrei“. Das EU-finanzierte Projekt BALLISTOP wird Ladungs- und Spinströme in topologischen Isolatoren zweiter Ordnung untersuchen. Zu dieser neuen Klasse topologischer Materialien gehören dreidimensionale Kristalle wie zum Beispiel Wismut, das neuartige leitende Eigenschaften an den Kanten und nicht im Inneren oder an der Oberfläche aufweist. Die Forschergruppe wird die ballistische Beschaffenheit eindimensionaler Helixkantenzustände von Wismutproben weiter untersuchen. Mit Rastertunnelspektroskopie können Majoranateilchen in Wismut-/Supraleiterpartikeln beobachtet werden. Auf der Suche nach neuen topologischen Isolatoren höherer Ordnung sind diese Arbeiten wegweisend.

Ziel

One of the greatest recent achievement in Condensed matter physics is the discovery of a new class of materials, Topological Insulators (TI), whose bulk is insulating, while the edges conduct current in a quasi-ideal way. In particular, the 1D edges of 2DTI realize the Quantum Spin Hall state, where current is carried dissipationlessly by two counter-propagating ballistic edge states with a spin orientation locked to that of the propagation direction (a helical edge state). This opens many possibilities, ranging from dissipationless charge and spin transport at room temperature to new avenues for quantum computing. We propose to investigate charge and spin currents in a newly discovered class of TIs, Second Order Topological Insulators (SOTIs), i.e. 3D crystals with insulating bulk and surfaces, but perfectly conducting (topologically protected) 1D helical “hinge” states. Bismuth, despite its well-known semimetallic character, has recently been shown theoretically to belong to this class of materials, explaining our recent intriguing findings on nanowires. Our goal is to reveal, characterize and exploit the unique properties of SOTIs, in particular the high velocity, ballistic, and dissipationless hinge currents. We will probe crystalline bismuth samples with refined new experimental tools. The superconducting proximity effect will reveal the spatial distribution of conduction paths, and test the ballisticity of the hinge modes (that may coexist with non-topological surface modes). High frequency and tunnel spectroscopies of hybrid superconductor/Bi circuits will probe their topological nature, including the existence of Majorana modes. We will use high sensitivity magnetometers to detect the orbital magnetism of SOTI platelets, which should be dominated by topological edge currents. Lastly, we propose to detect the predicted equilibrium spin currents in 2DTIs and SOTIs via the generated electric field, using single electron transistors-based electrometers.

Schlüsselbegriffe

Finanzierungsplan

ERC-ADG - Advanced Grant

Gastgebende Einrichtung

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE CNRS
Netto-EU-Beitrag
€ 2 432 676,00
Adresse
RUE MICHEL ANGE 3
75794 Paris
Frankreich

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Region
Ile-de-France Ile-de-France Paris
Aktivitätstyp
Research Organisations
Links
Gesamtkosten
€ 2 432 676,00

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