國立虎尾科技大學 |

Quantum Engineering with Subgap and Boundary Modes.

Record Type:	Language materials, manuscript : Monograph/item
Title/Author:	Quantum Engineering with Subgap and Boundary Modes./
Author:	Steiner, Jacob Fridolin.
Description:	1 online resource (271 pages)
Notes:	Source: Dissertations Abstracts International, Volume: 85-05, Section: B.
Contained By:	Dissertations Abstracts International85-05B.
Subject:	Design. -
Online resource:	click for full text (PQDT)
ISBN:	9798380716284

Quantum Engineering with Subgap and Boundary Modes.
Steiner, Jacob Fridolin.

Quantum Engineering with Subgap and Boundary Modes. - 1 online resource (271 pages)

Source: Dissertations Abstracts International, Volume: 85-05, Section: B.

Thesis (Ph.D.)--Freie Universitaet Berlin (Germany), 2023.

Includes bibliographical references

Diese Arbeit befasst sich mit der Nutzung von Subgap- und Randmoden fur die Quantenkonstruktion neuartiger Phasen, Bauelemente und Antwortsmerkmale. Sie umfasst vier separate Themen: Quantenmagnetismus in Yu-Shiba-Rusinov-Ketten, einatomige Josephson-Dioden, Majorana-Qubits und photogalvanische Oberflachenantwort in Weyl-Halbmetallen.Ketten aus magnetischen Adatomen auf Supraleitern wurden als vielversprechende Systeme zur Realisierung von Majorana-Endzustanden diskutiert. Hier zeigen wir, dass Yu-ShibaRusinov (YSR)-Ketten auch eine vielseitige Plattform fur Quantenmagnetismus und korrelierte Elektronendynamik sind. Mit dem Schwerpunkt auf Subgap-Anregungen leiten wir ein erweitertes t − J-Modell fur Quanten-YSR-Ketten ab und untersuchen damit das Phasendiagramm und die Tunnelspektren. Wir untersuchen die Implikationen des Quantenmagnetismus fur die Bildung einer topologischen supraleitenden Phase und kontrastieren mit bestehenden Modellen, die von klassischen Spinstrukturen ausgehen.Stromgetriebene Josephson-Kontakte zeigen Hysterese zwischen dissipativem und supraleitendem Zustand. Ubergange treten auf sobald der angelegte Strom den Umschalt- oder Einfangstrom erreicht. Wir betrachten diodenahnliche Effekte in den Umschalt- oder Einfangstromen von schwach gedampften Josephson-Kontakten. Wir demonstrieren, dass das diodenartige Verhalten der Umschaltstrome auf asymmetrischen Strom-Phasen-Relationen beruht, wahrend nicht-reziproke Einfangstrome von asymmetrischer Dissipation herruhren. Dies impliziert deutlich unterschiedliche Symmetrieanforderungen. Wir veranschaulichen unsere Ergebnisse anhand eines mikroskopischen Modells fur Kontakte mit YSR-Subgap-Zustanden.Vorraussetzung fur topologische Quantencomputer basierend auf lokalisierten MajoranaZustanden ist die Fahigkeit, Produkte von Majorana-Operatoren projektiv zu messen. Wir modellieren den Messprozess von Majorana-Qubits mithilfe der Technik der Quantentrajektorien. Insbesondere konzentrieren wir uns auf das Auslesen von Majorana-Qubits durch einen tunnelgekoppelten Quantenpunkt welcher wiederum kapazitiv an einen Quantenpunktkontakt gekoppelt ist. Wir zeigen, dass projektive Messungen von Majorana-Produkten durch kontinuierliche Ladungsabtastung unter recht allgemeinen Bedingungen durchgefuhrt werden konnen. Wesentliche Voraussetzungen sind, dass eine kombinierte lokale Paritat π, die die Quantenpunktladung zusammen mit dem relevanten Majoranaprodukt umfasst, erhalten bleibt und dass die beiden Eigenraume der kombinierten Paritat π unterscheidbare Messsignale erzeugen.Abschliesend untersuchen wir, wie der photogalvanische Effekt in Weyl-Halbmetallen durch die Manipulation von Fermi-Arc-Zustanden an der Materialoberflache ermoglicht und kontrolliert werden kann. Konkret entwickeln wir eine Theorie des ballistischen photogalvanischen Stroms in einer Weyl-Halbmetall-Platte. Wir zeigen, dass die Oberflachenantwort durch die Konfiguration der Fermi-Arc-Oberflachenzustande festgelegt ist. Dies ermoglicht im Prinzip die Steuerung des photogalvanischen Stroms durch Oberflachenpotentiale.

Electronic reproduction.
Ann Arbor, Mich. :
ProQuest,
2024

Mode of access: World Wide Web

ISBN: 9798380716284Subjects--Topical Terms:

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500 $a Advisor: von Oppen, Felix;Brouwer, Piet W.
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520 $a Diese Arbeit befasst sich mit der Nutzung von Subgap- und Randmoden fur die Quantenkonstruktion neuartiger Phasen, Bauelemente und Antwortsmerkmale. Sie umfasst vier separate Themen: Quantenmagnetismus in Yu-Shiba-Rusinov-Ketten, einatomige Josephson-Dioden, Majorana-Qubits und photogalvanische Oberflachenantwort in Weyl-Halbmetallen.Ketten aus magnetischen Adatomen auf Supraleitern wurden als vielversprechende Systeme zur Realisierung von Majorana-Endzustanden diskutiert. Hier zeigen wir, dass Yu-ShibaRusinov (YSR)-Ketten auch eine vielseitige Plattform fur Quantenmagnetismus und korrelierte Elektronendynamik sind. Mit dem Schwerpunkt auf Subgap-Anregungen leiten wir ein erweitertes t − J-Modell fur Quanten-YSR-Ketten ab und untersuchen damit das Phasendiagramm und die Tunnelspektren. Wir untersuchen die Implikationen des Quantenmagnetismus fur die Bildung einer topologischen supraleitenden Phase und kontrastieren mit bestehenden Modellen, die von klassischen Spinstrukturen ausgehen.Stromgetriebene Josephson-Kontakte zeigen Hysterese zwischen dissipativem und supraleitendem Zustand. Ubergange treten auf sobald der angelegte Strom den Umschalt- oder Einfangstrom erreicht. Wir betrachten diodenahnliche Effekte in den Umschalt- oder Einfangstromen von schwach gedampften Josephson-Kontakten. Wir demonstrieren, dass das diodenartige Verhalten der Umschaltstrome auf asymmetrischen Strom-Phasen-Relationen beruht, wahrend nicht-reziproke Einfangstrome von asymmetrischer Dissipation herruhren. Dies impliziert deutlich unterschiedliche Symmetrieanforderungen. Wir veranschaulichen unsere Ergebnisse anhand eines mikroskopischen Modells fur Kontakte mit YSR-Subgap-Zustanden.Vorraussetzung fur topologische Quantencomputer basierend auf lokalisierten MajoranaZustanden ist die Fahigkeit, Produkte von Majorana-Operatoren projektiv zu messen. Wir modellieren den Messprozess von Majorana-Qubits mithilfe der Technik der Quantentrajektorien. Insbesondere konzentrieren wir uns auf das Auslesen von Majorana-Qubits durch einen tunnelgekoppelten Quantenpunkt welcher wiederum kapazitiv an einen Quantenpunktkontakt gekoppelt ist. Wir zeigen, dass projektive Messungen von Majorana-Produkten durch kontinuierliche Ladungsabtastung unter recht allgemeinen Bedingungen durchgefuhrt werden konnen. Wesentliche Voraussetzungen sind, dass eine kombinierte lokale Paritat π, die die Quantenpunktladung zusammen mit dem relevanten Majoranaprodukt umfasst, erhalten bleibt und dass die beiden Eigenraume der kombinierten Paritat π unterscheidbare Messsignale erzeugen.Abschliesend untersuchen wir, wie der photogalvanische Effekt in Weyl-Halbmetallen durch die Manipulation von Fermi-Arc-Zustanden an der Materialoberflache ermoglicht und kontrolliert werden kann. Konkret entwickeln wir eine Theorie des ballistischen photogalvanischen Stroms in einer Weyl-Halbmetall-Platte. Wir zeigen, dass die Oberflachenantwort durch die Konfiguration der Fermi-Arc-Oberflachenzustande festgelegt ist. Dies ermoglicht im Prinzip die Steuerung des photogalvanischen Stroms durch Oberflachenpotentiale.
520 $a This thesis discusses the use of subgap and boundary modes for quantum engineering of novel phases, devices and response characteristics. It is comprised of four separate topics: quantum magnetism in Yu-Shiba-Rusinov chains, single-atom Josephson diodes, readout of Majorana qubits, and surface photogalvanic response in Weyl semimetals.Chains of magnetic adatoms on superconductors have been discussed as promising systems for realizing Majorana end states. Here, we show that dilute Yu-Shiba-Rusinov (YSR) chains are also a versatile platform for quantum magnetism and correlated electron dynamics, with widely adjustable spin values and couplings. Focusing on subgap excitations, we derive an extended t − Jmodel for dilute quantum YSR chains and use it to study the phase diagram as well as tunneling spectra. We explore the implications of quantum magnetism for the formation of a topological superconducting phase, contrasting it to existing models assuming classical spin textures.Current-biased Josephson junctions exhibit hysteretic transitions between dissipative and superconducting states as characterized by switching and retrapping currents. Here, we develop a theory for diode-like effects in the switching and retrapping currents of weakly-damped Josephson junctions. We find that while the diode-like behavior of switching currents is rooted in asymmetric current-phase relations, nonreciprocal retrapping currents originate in asymmetric quasiparticle currents. These different origins also imply distinctly different symmetry requirements. We illustrate our results by a microscopic model for junctions involving YSR subgap states. Our theory provides significant guidance in identifying the microscopic origin of nonreciprocities in Josephson junctions.Schemes for topological quantum computation with Majorana bound states rely heavily on the ability to measure products of Majorana operators projectively. Here, we employ Markovian quantum measurement theory, including the readout device, to analyze such measurements. Specifically, we focus on the readout of Majorana qubits via continuous charge sensing of a tunnel-coupled quantum dot by a quantum point contact. We show that projective measurements of Majorana products can be implemented by continuous charge sensing under quite general circumstances. Essential requirements are that a combined local parity π, involving the quantum dot charge along with the Majorana product of interest, be conserved, and that the two eigenspaces of the combined parity π generate distinguishable measurement signals.The photogalvanic effect requires the intrinsic symmetry of the medium to be sufficiently low, which strongly limits candidate materials for this effect. We explore how in Weyl semimetals the photogalvanic effect can be enabled and controlled by design of Fermi arc states at the material surface. Specifically, we provide a theory of ballistic photogalvanic current in a Weyl semimetal slab. We show that the confinement-induced response is tightly linked to the configuration of Fermi-arc surface states, thus inheriting the same directionality and sensitivity to boundary conditions. In principle this enables the control of the photogalvanic response through manipulation at the surface only.
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