Superconducting orbitronics in hybrid systems

Kvantemekanikk ble opprinnelig utviklet for å forstå naturlovene på skalaen til enkeltpartikler. Kvantemekanikk viste seg imidlertid også å gi en svært nøyaktig beskrivelse av oppførselen til materialer: spennende fenomener som superledning og magnetisme har en fullstendig kvantemekanisk opprinnelse. Vi går nå inn i en æra hvor radikalt nye teknologier basert på kvanteteori er innen rekkevidde. Eksempler er kvanteberegning, hvor informasjon kodes i kvantebiter (qubits), og spinnbasert informasjonsbehandling, hvor man bruker det kvantemekaniske "spinnet" til elektroner for å overføre informasjon. Hybrid-strukturer som består av forskjellige materialer som er vert for forskjellige kvantefenomener tiltrekker seg mye oppmerksomhet i denne sammenhengen ettersom de kan tillate "konstruksjon" av kvanteegenskaper. Dette kan potensielt gi for eksempel svært innstillbare elementer for superledende elektriske kretser og nye enheter som støytolerante qubits. En kvantemekanisk egenskap som først nylig har begynt å tiltrekke seg oppmerksomhet, er den orbitale dreieimpulsen til elektroner som forplanter seg gjennom faste stoffer. En interessant forskjell mellom spinn og orbital dreieimpuls er at mens størrelsen på spinn er lik for alle elektroner, har orbital dreieimpuls i prinsippet ingen øvre grense. Derfor bør det være mulig å oppnå mer effektiv transport av dreieimpuls ved å bruke orbital frihetsgrad i stedet for spinn. I dette prosjektet utforsker vi potensialet til hybridsystemer som består av slike orbitalt aktive materialer og superledere. Vi vil først utvikle den grunnleggende teorien for å forstå samspillet mellom dynamikken til orbital dreieimpuls og superledning. Vi vil deretter vurdere potensialet som hybrid superledende orbitronikk har til å gi opphav til nye fenomener og muliggjøre kvanteteknologiske funksjoner, slik som elektrisk styrt ukonvensjonell superledning, store termoelektriske effekter, innstillbare superledende dioder og beskyttede qubit-arkitekturer.

Besides spin, electrons can also carry orbital angular momentum, and the emerging field of orbitronics studies the behavior of this orbital degree of freedom and its interaction with charge and spin in solid-state devices. The interplay between superconductivity and non-trivial orbital physics remains largely unexplored, and in this project we will fill this knowledge gap by developing a theoretical framework to describe orbitally polarized superconducting heterostructures, both in and out of equilibrium. We will first develop the understanding of the proximity effects, i.e., the “leakage” of superconducting correlations and orbital polarization across the interfaces in a heterostructure. Then we apply this understanding to proximity-induced superconductivity in the p-type valence band of a semiconductor, where the low-energy carriers (holes) have an effective J=3/2 angular momentum. Semiconductor-based hole gases form an attractive platform for various quantum-technological devices, and we will use our theory to investigate the detailed potential of hole-based superconductor-semiconductor hybrids for applications such as qubit-qubit coupling of spin qubits and the hosting of Andreev spin qubits. In the field of spintronics, it is known that spin magnetoresistance and spin Hall effects can be enhanced by adding superconducting elements. Using our non-equilibrium theory, we will investigate the idea that substituting quantum spin by the orbital degree of freedom could lead to even more efficient low-dissipation information transfer using superconductors. We will also apply our theory to describe the potentially large thermoelectric properties of superconducting orbitronic heterostructures, which is highly relevant in the context of cryogenic caloritronics. The question of how superconductivity adapts to an environment with non-trivial orbital polarization, both in and out of equilibrium, is an interesting and urgent one which this project aims to answer.