Resumen de Topological superconductivity in nanowires and two-dimensional crystals
- español
La aplicación de principios topológicos en la descripción de sistemas de baja dimensionalidad ha constituido una de las áreas más prolíficas en la física de la materia condensada de las ´ultimas dos décadas. En particular, ha conducido a la descripción multiplex efectos, originalmente considerados no relacionados, utilizando un marco común y a la predicción de una vasta colección de nuevos fenómenos. El éxito de las teor´ıas topológicas no puede entenderse sin el simultáneo progreso experimental en el control y manipulación de las propiedades cuánticas de la materia, que han permitido construir a medida los dispositivos físicos requeridos para refutar estas predicciones teóricas.
Esta tesis se centra principalmente en el estudio de uno de dichos efectos: la manifestacion de los estados ligados de Majorana en sistemas de baja dimensionalidad:
nanohilos y cristales bidimensionales. Estos estados, altamente poco convencionales, han sido intensamente estudiados tanto desde un enfoque teórico como experimental, debido a su potencial uso en prometedoras aplicaciones tecnológicas. Sin embargo, los primeros modelos conceptuales han demostrado ser incapaces de describir la intrincada fenomenología encontrada en los experimentos, contribuyendo, de tal forma, a un debate fuertemente arraigado en la comunidad científica sobre la interpretación basada en argumentos topológicos de dichas observaciones.
En la primera parte de esta tesis, referida al estudio de nanohilos híbridos, vamos más allá de los modelos mínimos adoptando un marco de referencia más general, i.e., el de topología no hermítica, que nos permite clarificar la controversia sobre la distinción entre estados de Majorana y estados triviales de Andreev. Dicho marco teórico nos permite formalizar el significado preciso del concepto de no-trivialidad en situaciones experimentales relevantes (sistemas abiertos e inhomogéneos) para los cuales los criterios de clasificación basados en topología de bandas son intrínsecamente no aplicables.
También estudiamos la susceptibilidad de estos estados ligados frente a fuentes diferentes de decoherencia, al mismo tiempo que proponemos nuevos métodos para acceder a ellos en el experimento, e.g., mediante un punto cuántico acoplado a un extremo del nanohilo. Además, analizamos el diagrama de fase topológico de un sistema alternativo a los nanohilos híbridos estándar, i.e., los nanohilos con envoltura superconductora, y en el contexto de una colaboración experimental y teórica explicamos la compleja dependencia con el campo magnético de las medidas reportadas, descartando la hipótesis topológica para las anomalías a voltaje cero detectadas.
La segunda parte de esta tesis se centra en la tarea de crear un régimen con superconductividad topológica en sistemas bidimensionales. A tal fin, primero analizamos las fases aislantes y obstruidas del grafeno bicapa encapsulado entre dicalcogenuros de metales de transición. Nuestro trabajo sobre la interpretación de las medidas de interferencia cuántica en estos dispositivos proporciona evidencia de la existencia de una fase no trivial con estados helicales. Explotando las propiedades de los portadores de carga en dicha fase, diseñamos un procedimiento para localizar estados de esquina de Majorana al alcance experimental
- English
The application of topological principles to the description of low-dimensional systems has been one of the most prolific areas in condensed matter physics during the last two decades. It has led to the unified description of effects, initially considered unrelated, and the prediction of a vast collection of novel phenomena. The success of topological theories cannot be understood without the simultaneous experimental progress in the creation and manipulation of quantum matter which allows researchers to custom-build the required physical platforms.
This thesis is mainly focused on the study of one of such topological effects: the appearance of Majorana bound states at the boundaries of topological superconductors, and their physical realization in low-dimensional systems, namely, nanowires and two-dimensional layered van der Waals materials. These highly-unconventional states have concentrated lots of theoretical and experimental efforts, motivated not only by their fundamental properties but also by their potential technological applications. Despite promising, the first conceptual models have proved inadequate to describe the varied phenomena found in these systems and contributed to a long-standing debate concerning the interpretation of experimental signatures in terms of Majorana bound states.
In the first part of this thesis, focused on the study of one-dimensional hybrid nanowires, we go beyond the minimal picture by adopting a more general framework, that of non-Hermitian topology, which allows us to clarify the topological Majorana/ trivial Andreev state controversy and formalizes the precise meaning of nontriviality in experimentally relevant situations of open and inhomogeneous nanowires for which the standard band topological classification is intrinsically ill-posed. We also test the susceptibilities of these modes to different sources of decoherence and propose novel means to probe them, e.g. through a quantum dot attached to the end of the nanowire. In addition, we analyze the topological phase diagram of an alternative hybrid nanowire design, the so-called full-shell nanowires, and in the context of an experimental-theoretical collaboration, we explain the intricate magnetic-field dependence of the reported signatures, ruling out the topological hypothesis for the observed zero-bias anomalies.
The second part of this thesis is devoted to engineering a topological superconducting regime in two-dimensional systems. To this end, we first analyze the obstructed atomic-insulating phases in bilayer graphene encapsulated between transition metal dichalcogenides. Our work concerning the interpretation of quantum interference measurements in these devices provides evidence of a non-trivial phase with helical modes.
By exploiting the properties of the carriers in such phase and by device engineering, we then provide a recipe to localize Majorana corner states within experimental reach
