Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Viliam Vaňo

Väitöskirjan nimi: Designing quantum matter in two dimensions

Tohtoriopiskelija: Viliam Vaňo
Vastaväittäjä: Prof. Ronny Thomale, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Saksa
Kustos: Prof. Peter Liljeroth, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Aineiden eksoottiset sähköiset faasit ovat kiinnostavia tiiviin aineen fysiikan perustutkimuksen kannalta sekä niiden potentiaalisten kvanttiteknologisten sovellusten vuoksi. Niin-kutsuttu designer-lähestymistapa on osoittautunut tehokkaaksi tavaksi suunnitella ja toteuttaa näitä faaseja keinotekoisissa rakenteissa, joiden ominaisuudet kiertävät luonnossa esiintyvien aineiden asettamia rajoituksia. Tämä lähestymistapa tarjoaa erittäin joustavan alustan erilaisten sähköisten faasien toteuttamiseen ja tutkimiseen. Sovellamme tätä lähestymistapaa kasvattamalla kaksiulotteisia van der Waals (vdW) -rakenteita molekyylisuihkuepitaksian avulla ja tutkimme niitä tunnelointimikroskopialla (scanning tunneling microscopy, STM). 

Tässä väitöskirjassa toteutamme kolme keinotekoista vdW-heterorakennetta, joissa esiintyy raskaita fermioneja, topologista suprajohtavuutta sekä epätavanomaista suprajohtavuutta. Raskaat fermionit syntyvät kerrosrakenteessa, joka yhdistää yhden atomikerroksen paksuiset magneettiset ja metalliset materiaalit, mikä johtaa Kondo-hilafysiikkaan. Tutkimme heterorakennetta kahdelta eri puolelta käyttäen STM:ää: osoitamme magneettisen puolen käyttäytyvän Kondo-hilana, kun taas metallin puolella paikallinen tilatiheys osoittaa ns. raskas fermioni -hybridisaatioaukon syntymisen. Toisessa työssä luomme vdW-magneetista ja vdW-suprajohteesta kerrosrakenteen, jossa esiintyy topologista suprajohtavuutta. Tämä ilmenee mittauksistamme, joissa havaitsemme Yu-Shiba-Rusinov-vöiden ja topologisten reunatilojen syntymisen. Jatkotutkimuksessa osoitamme lisäksi, että järjestelmän topologia mahdollistuu kahden kerroksen välisellä moiré-ilmiöllä. Viimeisessä työssä luomme yhden atomikerroksen vdW-materiaalin ja osoitamme, että siinä esiintyy merkkejä epätavanomaisesta suprajohtavuudesta. Näitä ovat suprajohtavan energia-aukon tilatiheys, sen ympärillä esiintyvät monihiukkaseksitaatiot sekä korkeassa magneettikentässä havaittu pseudoaukko-faasi. 

Nämä tulokset osoittavat designer-lähestymistavan hyötyjä ja avaavat uusia mahdollisuuksia tiiviin aineen fysiikassa sekä suunniteltujen sähköisten faasien toteuttamisessa vdW-heterorakenteissa.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Yhteystiedot:

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52