Dr. Adina Luican-Mayer

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Full Name

Dr. Adina Luican-Mayer

Academic Profile

Summary

Developing 2D materials for quantum circuits, quantum sensing and information storage

Long description

Our laboratory integrates scanning probe microscopy and fabrication of custom materials and nanodevices. We aim to advance knowledge of physical phenomena that emerge as a result of low dimensionality, presence of surfaces and interfaces, and proximity between different states of matter.

Type of institution

University

Address

University of Ottawa, Laurier Avenue East, Ottawa, ON, Canada

Institution

University of Ottawa

I have a knowledge mobilization grant.

Yes

Website

http://www.uottawa.ca

Video Transcript

Transcription

Transcript (English)
 
Introduce your team
Hi my name is Adina Luican-Mayer and I’m an Assistant Professor in the Physics department at the University of Ottawa. We’re here in our lab in the Advanced Research Complex.
 
Describe your research
 
As scientists, one of our goals is to develop technologies that can help solve grand society challenges. These technologies can help create a more sustainable environment, can improve healthcare, or they can be used for enabling the digital revolution.
 
For the last decade, this class of new materials got us all excited. These are the thinnest materials you can imagine —nanometers thin and below. At these thicknesses the quantum mechanical effects are so strong that these materials no longer behave like the macroscopic materials we’re all accustomed to and with that comes the promise of technological advances. We can foresee their use in making flexible low power consumption electronics and optoelectronics or ultra sensitive sensors.
 
Take graphite for example. This material looks like a book where every page or every plane is made out of carbon atoms that are strongly bonded in plane. Yet out of plane they’re loosely bonded. In 2005, the revolution in the field came when it was shown that you can actually detach a single atomic layer and you can make devices where electrons are confined in two dimensions.
 
In these devices, these materials behave nothing like the bulk material they came from. Beyond just a single carbon atom layer or graphene, an entire family of materials was uncovered and their properties are being heavily researched right now.
 
Here in our lab our research team is combining the flexibility of designing devices out of these quantum materials with powerful imaging techniques to uncover the new physical phenomena that occurs when we confine electrons in low dimensions. Experimental techniques that make it possible to address and visualize and manipulate electrons at the atomic scale or at the nanometer scale give us a way to understand new materials.
 
If you think of interfaces or surfaces, or small defects in the crystal like a missing atom or a misalignment between the planes of atoms, these are all microscopic phenomena that happen at the nanoscale. As it turns out, however, they have a big influence on the properties of materials. They actually determine how the devices behave.
 
When we get information with the scanning tunneling microscope we can then use that to predict the macroscopic behavior: how the current gets transported or how the heat gets transported in the material and so on. Not only can we visualize the properties of these materials but we can also try and change the property so we can add or remove the electrons and we can try to apply stress or strain.
 
That gives us a knob to fine-tune the properties that we might be interested in: more or less electric current, more or less optically transparent and so on.
 
Explain its significance
 
Beyond just challenging our current understanding of materials, we’ve also partnered with industry and governments to try and leverage these new discoveries towards discovering new technologies. In one example of our projects, we are developing ultra sensitive and selective sensors based on our expertise in understanding of the surface properties of 2D materials.
 
In another one of our projects, we are further confining the electrons in two dimensions. We are creating quantum circuits where we can think about storing information or doing quantum sensing or using it for quantum computations.
 
2D materials offer us not just the opportunity of a beautiful intellectual exercise and expanding the knowledge of our current understanding of materials, but it also creates the opportunity for disrupting current technologies because when new physical phenomena are discovered, we can now make devices that are based on completely different operation principles.
 
 Transcript (French)
 
Introduisez votre équipe
 
Bonjour, mon nom est Adina Luican-Mayer et je suis professeure adjointe au Département de physique à l’Université d’Ottawa. Nous sommes ici dans notre laboratoire au Complexe de recherche avancée.
 
Decrivez votre recherche
 
En tant que scientifiques, l’un de nos objectifs est de développer des technologies qui peuvent aider à résoudre les grands défis de la société. Ces technologies peuvent aider à créer un environnement plus durable, à améliorer les soins de santé, ou à favoriser la révolution numérique. Au cœur de ces technologies se trouve la découverte et la compréhension de nouveaux matériaux.
 
Au cours de la dernière décennie, cette catégorie de nouveaux matériaux a créé beaucoup d’excitation.  Ce sont les matériaux les plus minces que vous puissiez imaginer — mesurés en nanomètres et moins. À ces épaisseurs, les effets mécaniques et quantiques sont tellement forts que ces matériaux ne se comportent plus comme les matériaux macroscopiques auxquels nous sommes tous habitués, et avec cela vient la promesse de percées technologiques. Nous pouvons prévoir leur utilisation dans la fabrication d’électronique flexible à faible consommation d’énergie et d’optoélectronique ou de senseurs ultras sensibles.
 
Prenons le graphite à titre d’exemple. Ce matériau ressemble à un livre où chaque page ou chaque plan est composé d’atomes de carbone qui sont fortement liés dans le plan. Mais hors du plan, ils sont faiblement liés. En 2005, la révolution dans ce domaine est survenue lorsqu’il a été démontré que l’on peut détacher une seule couche atomique et fabriquer des dispositifs où les électrons sont confinés à deux dimensions.
 
Dans ces dispositifs, ces matériaux ne se comportent pas comme les matériaux dont ils proviennent. Au-delà d’une seule couche d’atome de carbone ou de graphène, toute une famille de matériaux a été découverte et leurs propriétés font actuellement l’objet de nombreuses recherches.
 
Ici dans notre laboratoire, notre équipe de recherche combine la flexibilité de la conception de dispositifs à partir de ces matériaux quantiques avec de puissantes techniques d’imagerie pour découvrir les nouveaux phénomènes physiques qui se produisent lorsque nous confinons les électrons dans de faibles dimensions. Les techniques expérimentales qui permettent d’adresser, de visualiser et de manipuler les électrons à l’échelle atomique ou nanomètrique nous permettent de comprendre des nouveaux matériaux.
 
La microscopie et la spectroscopie à effet tunnel à balayage sont des exemples de telles techniques,  et nous les avons ici sous basse température et sous ultra-vide. Ceci nous permet d’obtenir des images d’atomes individuels dans ces matériaux, et au-delà de la simple visualisation de la structure des matériaux, nous pouvons également voir comment les électrons se comportent dans nos matériaux.
 
Si vous pensez aux interface ou aux surfaces, ou aux petits défauts dans le cristal tels qu’un atome manquant ou  un désalignement entre les plans des atome, ce sont tous des phénomènes microscopiques qui se produisent à l’échelle nanométrique. Il s’avère cependant qu’ils ont une grande influence sur les propriétés des matériaux. Ils déterminent en fait le comportement  des appareils.
 
Lorsque nous obtenons des informations avec le microscope à effet tunnel à balayage, nous pouvons ensuite les utiliser pour prédire le comportement macroscopique : comment le courant est transporté ou comment la chaleur est transportée dans le matériau, etc. Non seulement pouvons-nous visualiser les propriétés de ces matériaux, mais nous pouvons également essayer de modifier ces propriétés afin d’ajouter ou d’enlever des électrons et essayer d’appliquer des contraintes ou de la tension.
 
Cela nous donne un levier pour affiner les propriétés qui pourraient nous intéresser : plus ou moins de courant électrique, plus ou moins de transparence optique et ainsi de suite.
 
Quelle est son importance
 
Au-delà de défier notre compréhension actuelle des matériaux, nous avons également établi des partenariats avec l’industrie et les gouvernements pour tenter de tirer parti de ces nouvelles découvertes pour découvrir de nouvelles technologies. Dans un exemple de nos projets, nous développons des senseurs ultra sensibles et sélectifs basés sur notre expertise dans la compréhension des propriétés de surface des matériaux 2D.
 
Dans un autre de nos projets, nous confinons davantage les électrons en deux dimensions. Nous créons des circuits quantiques dans lesquels nous pouvons penser à stocker de l’information, à faire de la détection quantique ou à l les utiliser pour des calculs quantiques.
 
Les matériaux 2D nous offrent non seulement la possibilité d’un bel exercice intellectuel et d’élargir nos connaissances actuelles sur les matériaux, mais aussi la possibilité de perturber les technologies actuelles car lorsque de nouveaux phénomènes physiques sont découverts, nous pouvons alors créer des dispositifs basés sur des principes de fonctionnement complétements différents.