Onderzoek Jonas Bekaert

Abstract

Juncties van supergeleidende materialen liggen aan de basis van de nieuwste kwantumtechnologieën, in het bijzonder kwantumcomputers (nagestreefd door Google, IBM, Intel,...), met ongeziene mogelijkheden vergeleken met klassieke systemen. De benodigde kwantumcoherentie lijdt echter onder onzuiverheden en ruwheid bij de grensvlakken in de huidige juncties. Als oplossing worden kristallijne 2D materialen onderzocht als alternatieve bouwstenen voor supergeleidende juncties, omwille van hun hoge zuiverheid en atomair scherpe grensvlakken in hun heterostructuren. Een fundamenteel begrip van hoe supergeleiding beïnvloed wordt door het samenvoegen van verschillende 2D materialen ontbreekt echter. Daarom zal in dit project een nieuw ab initio kader worden ontwikkeld om supergeleiding in 2D heterostructuren volledig te karakteriseren, inclusief hybridisatie tussen de lagen en concurrerende kwantumtoestanden. Dit zal inzicht geven in belangrijke eigenschappen zoals de verdeling en kwantumtunneling van Cooper-paren in de junctie, die de kern vormen van qubit-toepassingen. Gemotiveerd door de recentste experimenten zullen zowel verticale als laterale juncties onderzocht worden, en geoptimaliseerd m.b.v. beschikbare vrijheidsgraden, zoals twist en stacking, een buffermateriaal in de junctie, en het tunen van de junctie d.m.v. gating en deformatie. Deze kennis is onmisbaar om de eigenschappen van qubits en kwantumoperaties gebaseerd op 2D supergeleiders op punt te stellen en te controleren.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Milosevic Milorad
• Mandaathouder: Bekaert Jonas

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van de gecondenseerde materie

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Ionair transport in laagdimensionale materialen speelt een sleutelrol in nieuwe methodes voor het opwekken en opslaan van energie. Recente experimentele ontwikkelingen laten toe om extreem nauwe en zuivere kanalen tussen zwak gebonden 2D materialen te maken. De stroming van ionen of moleculen door zulke kanalen blijkt extreem vlot te gaan, dankzij de hoge druk ten gevolge van de opsluiting in de kanalen. De druk dwingt de atomen ook dichter bij elkaar en doet zo een compleet nieuwe samengestelde structuur ontstaan door de vorming van bindingen met het omhullende materiaal. De krapte van de kanalen laat slechts toe aan enkele atoomlagen om er doorheen te bewegen, wat aangepast kan worden door externe druk, zijdelingse deformatie of door een elektrisch veld aan te leggen. Zodra dit geavanceerde ionaire transport onder kwantuminperking begrepen is, heeft het een groot potentieel om de performantie en de capaciteit van batterijen sterk te verhogen. Bovendien kan de binding van de ionen met het omhullende materiaal de elektronische fase volledig veranderen zodat het bijvoorbeeld supergeleidend kan worden bij lage temperaturen, en dus bruikbaar voor elektronica zonder dissipatie. De hoofddoelstelling is dus het onderzoeken van de mechanismes van ionaire stromingen in sterk ingeperkte kanalen, hoe de ionaire ordening te sturen, en het identificeren van faseovergangen om nieuwe methodes voor zogenaamde blauwe energie, geminiaturiseerde batterijen en nanoelektronica te vinden.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Milosevic Milorad
• Co-promotor: Bekaert Jonas
• Mandaathouder: Petrov Mikhail

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van de gecondenseerde materie

Project type(s)

• Onderzoeksproject

Abstract

Tweedimensionale transitiemetaal dichalcogeniden (2D-TMDs) zijn atomair dunne materialen die een prominente rol spelen in het hedendaagse onderzoek, door hun bijzondere elektronische en optische eigenschappen, hun afstelbaarheid door middel van elektrische gating en mechanische deformatie, en de mogelijkheid om heterostructuren te maken. Het werd echter veel minder geëxploreerd dat ze ook een rijkdom aan collectieve kwantumfasen vertonen, die gekarakteriseerd worden door collectief gedrag van de elektronen dat radicaal verschillend is van hun individuele toestanden. Eén van deze fasen is een ladingsdichtheidsgolf, waarbij de elektronen bij lagere temperaturen een geordende kwantumvloeistof vormen die de structuur van het materiaal zelf verandert. Een andere collectieve kwantumfase in 2D-TMDs is de supergeleidende fase, waarbij de elektronen condenseren in een weerstandsloze zee van Cooperparen die elektrische stroom kan geleiden zonder enige weerstand. Bovendien dragen ook de spins van de elektronen bij tot een veelvoud van mogelijke combinaties voor nieuwe kwantumtoestanden en kunnen ze texturen vormen in monolaag TMDs die volledig afwezig zijn in de bulk vorm. Het is duidelijk dat al deze toestanden sterk met elkaar verstrengeld zijn, maar toch worden de fundamentele eigenschappen van hun wisselwerking nog niet goed begrepen. Dit verhindert ook de vooruitgang bij het ontwikkelen van geavanceerde nieuwe toepassingen. In dit project zal ik de wisselwerking tussen de toestanden uitgebreid bestuderen met behulp van state-of-the-art theoretische technieken. Voorts zal ik een stappenplan opstellen om de wisselwerking volledig gecontroleerd aan te kunnen passen door middel van deformatie, elektrische gating en doteren. Het uiteindelijke doel is om 2D-TMDs op de kaart te zetten als een uniek platform voor uiterst veelzijdige kwantumapparaten, door de specifieke voordelen van de verschillende toestanden die meespelen aan te wenden.

Onderzoeker(s)

• Promotor: Milosevic Milorad
• Co-promotor: Partoens Bart
• Mandaathouder: Bekaert Jonas

Onderzoeksgroep(en)

• Theorie van de gecondenseerde materie

Project type(s)

• Onderzoeksproject